Dicas do Zébio

O aparecimento dos reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes é relativamente recente. Utilizados primeiramente nas fluorescentes tubulares, logo depois foram incorporados às lâmpadas fluorescentes compactas (LFC). 

Hoje, estão extremamente difundidos e encontrar um reator convencional (eletromagnético), feito de ferro-silício e cobre, é muito difícil. Pretendo neste post mostrar o princípio de funcionamento destes circuitos, que são um tipo específico de fonte chaveada. Também serão analisados diversos modelos de reatores eletrônicos encontrados no comércio, assim como fornecidas dicas para sua manutenção, com base na experiência adquirida.

Este artigo é resultado da desmontagem, análise e eventual reparo, ao longo de vários anos, de dezenas de reatores eletrônicos (figura 1). Tudo com a intenção de compreendê-los, pois eles utilizam um circuito auto-oscilante que está presente numa infinidade de aplicações. Além de estar presente em reatores para fluorescentes, este circuito é encontrado em fontes chaveadas de computadores, inversores de tensão para baterias, no-breaks, amplificadores para automóveis, etc.

O texto é longo, mas foi a maneira encontrada para poder repassar, de uma só vez, uma grande quantidade de informações, da maneira menos técnica possível, sobre os reatores eletrônicos e as fluorescentes. Para ajudar o entendimento, este artigo traz mais de 100 imagens. São 101 figuras, para ser mais exato…

Esclarecimentos

As próximas seções – até Circuito de partida, inclusive – explicam o funcionamento das lâmpadas fluorescentes e de seus reatores. Na verdade, o foco é mais intenso sobre os reatores, pois a intenção deste texto é, principalmente, esclarecer o funcionamento destes dispositivos.

Estes tópicos são uma tradução livre de parte do capítulo 8 – Lighting – do excelente livro Power Semiconductor Applications, da Philips [1]. Esta publicação, de 2003, já carece de alguma atualização, além de retratar principalmente o mercado europeu. Por isso, foram inseridos alguns comentários, quando pertinentes à realidade brasileira. Devo alertar sobre possíveis incorreções nesta tradução, que talvez fujam dos termos tradicionalmente utilizados por especialistas. A intenção aqui é esclarecer, não complicar.

Na continuação do texto, são abordados vários aspectos dos reatores eletrônicos, com diversos diagramas esquemáticos. Inclusive um circuito adaptado por mim, com baixíssimo aquecimento, que está prestando bons serviços há mais de 8 anos (estamos em 2013), em vários reatores, sem defeitos. Conforme o modelo analisado, são fornecidas dicas de manutenção, identificando os componentes mais propensos a causar defeitos.

A lâmpada fluorescente

O tubo fluorescente é uma lâmpada de descarga de vapor de mercúrio, que contém um gás inerte – argônio ou criptônio – a baixa pressão (menos de 1 atmosfera), mais uma pequena dose de mercúrio.

Há um filamento em cada extremidade do tubo que, quando quente, emite eléctrons, que sustentam a descarga enquanto a lâmpada está operando. A descarga do vapor de mercúrio produz luz ultravioleta, que é convertida em luz visível pela camada de fósforo aplicada por dentro do tubo. O vidro bloqueia a saída da radiação ultravioleta, mas permite a passagem da radiação visível (figura 2).

Tubos fluorescentes existem em muitos formatos e tamanhos. Além dos diversos tipos compactos, que tem aparecido no mercado nos últimos anos como substitutos energeticamente eficientes das lâmpadas incandescentes, os tradicionais tubos lineares estão disponíveis desde 150mm de comprimento, com 4W, até 2400mm e 215W.

Os tubos fluorescentes modernos incorporam a tecnologia trifósforo (RGB – vermelho, verde e azul, similar aos televisores de tubo) e tem uma eficácia ao redor de 80 lumens por Watt (lm/W), em vez dos 68 lm/W das fluorescentes mais antigas, ou ainda dos 12 lm/W das incandescentes.

Além disso, as lâmpadas trifósforo revelam cores e tons da pele mais precisos que as antigas lâmpadas “luz do dia”, especialmente na faixa do vermelho. Estas, causavam uma tonalidade esverdeada e as cores vermelhas de qualquer objeto iluminado por elas pareciam desbotadas.

A eliminação das tradicionais causas das críticas às lâmpadas fluorescentes passou a tornar aceitável esta forma de iluminação em muitas aplicações. O ajuste da proporção entre os três fósforos permite criar lâmpadas desde os tons quentes (2700K), até os tons frios (6500K), todas com alta eficácia e boas propriedades de reprodução de cores. Antes do aparecimento dos trifósforos, estas qualidades eram mutuamente excludentes. Era possível ter alta eficácia, juntamente com uma pobre reprodução cromática, ou o contrário.

Um tubo fluorescente desligado apresenta-se como um circuito aberto, uma vez que não há conexão elétrica entre as duas extremidades. Para dar início ao arco elétrico, deve ser aplicada alta tensão sobre a lâmpada, de forma a ionizar o gás interno. Mas se isto for feito bruscamente, a “partida fria” da lâmpada encurta sua vida útil, por causa da expulsão de partículas que revestem o cátodo.

Entretanto, se os cátodos são previamente aquecidos, de modo a formar um espaço de carga de elétrons em cada extremidade da lâmpada, a tensão de disparo é consideravelmente reduzida e a vida da lâmpada não fica comprometida pelo sistema de ignição.

Assim que começa a fluir a corrente elétrica no arco, a impedância da lâmpada cai. Ela agora exibe uma característica de impedância negativa, onde o acrésimo da corrente é acompanhado de uma redução na tensão sobre a lâmpada. Portanto, deve haver um dispositivo de limitação de corrente no circuito, para evitar o rápido aparecimento de um surto e a destruição da lâmpada.

A corrente ideal de trabalho de uma lâmpada fluorescente deve ser sinusoidal, de modo a diminuir a interferência de radiação eletromagnética (IEM) causada pela lâmpada sobre a fiação elétrica. A corrente de forma senoidal também ajuda a aumentar a vida útil da lâmpada. Um pico de corrente com aproximadamente duas vezes a corrente RMS irá esgotar rapidamente o material de emissão dos cátodos. (Para uma onda senoidal, o valor de pico é somente 1,414 vezes o valor RMS).

Também não deve haver componente de corrente contínua (CC) sobre a corrente da lâmpada; isto é, as metades positiva e negativa dos ciclos devem ter igual duração. Se não for assim, a retificação parcial resultante irá causar o prematuro esgotamento de um dos cátodos da lâmpada.

O reator

Os requisitos de um reator de lâmpada fluorescente são:

– Pré-aquecimento dos cátodos para induzir a emissão de elétrons;

– Proporcionar a tensão de partida para iniciar a descarga;

– Limitar a corrente de trabalho para um valor adequado.

Há diversos tipos de reatores eletromagnéticos (convencionais), que trabalham na frequência da rede elétrica. O mais comum circuito para a tensão de 220V é o tradicional reator com interruptor de partida ou starter (ver figura 3), onde a estabilidade de funcionamento é proporcionada pelo indutor (choke). Outros tipos de reatores, por ordem de popularidade, são os circuitos semi-ressonantes e os de partida rápida.

O circuito com starter é frequentemente adotado por causa da sua simplicidade, baixo custo e maior eficência, se comparado às alternativas mencionadas acima. Outra razão é que a tensão na rede de 220V é suficientemente alta para utilizar apenas um indutor em série, em praticamente todos os casos. Em 110V, é mais adequado controlar a partida com um circuito incorporado, que adiciona tensão para o início do funcionamento.

Nota: Apesar disso, nunca vi, no Brasil, circuitos adicionais para o acionamento das fluorescentes, nem mesmo quando a rede não era de 220V. Havia somente o starter, o reator e a lâmpada. Lembro de ter reformado uma luminária de 15W, 127V, mas mesmo com tudo novo a ignição da lâmpada era problemática: na maioria das vezes funcionava, mas em algumas, não.

Funcionamento do reator com starter

Quando é aplicada tensão sobre o circuito da figura 3, a lâmpada não conduz imediatamente, então toda a tensão da rede aparece sobre o starter, através do indutor e dos cátodos.

O starter é construído com lâminas bimetálicas, seladas em um pequeno bulbo de descarga, de vidro, cheio de gás inerte, como argônio ou neon. A tensão da rede causa uma descarga brilhante dentro do starter, que irá aquecer os contatos bimetálicos, causando seu fechamento. Isto completa o circuito e permite fluir a corrente de pré-aquecimento através dos cátodos e do choke.

Assim que a descarga brilhante dentro do starter cessa, os contatos bimetálicos esfriam e abrem o circuito. Por causa da indutância do choke, que tenta manter o fluxo de corrente, a tensão sobre a lâmpada sobe rapidamente e ela entra em ignição. Se isto não acontece, o starter fecha novamente seus contatos e o ciclo repete-se.

Iniciada a ignição da lâmpada, o choke mantém os níveis adequados de corrente e tensão. A lâmpada conduz corrente suficiente para manter os cátodos quentes e emitindo elétrons, sem necessitar de circuitos adicionais de aquecimento, que causariam desperdício de energia. Como a tensão sobre a lâmpada é muito mais baixa que a da rede elétrica, agora não há suficiente tensão para disparar o starter, que permanece um circuito aberto.

O capacitor de correção de fator de potência (PFC – Power Factor Correction) compensa o atraso de corrente causado pelo circuito da lâmpada e melhora a carga apresentada à rede elétrica.

Nota: No Brasil, jamais presenciei o uso destes reatores com o capacitor de correção do fator de potência, ao menos em instalações domésticas.

Por quê reator eletrônico?

Reatores eletrônicos tem estado disponíveis há mais de duas décadas. Recentes progressos na performance, associados ao incremento dos custos da energia, ao aumento da consciência sobre suas vantagens, às crescentes preocupações com o meio ambiente e à maior aceitação das novas fluorescentes em diversas aplicações, causaram um salto do consumo dos reatores eletrônicos, desde o início da década de 1990.

A troca dos reatores eletromagnéticos por outros com maior eficiência e menores perdas leva à redução do consumo de energia e melhora no desempenho. As razões para isto são detalhadas a seguir.

Incremento do nível de iluminação

Se a frequência de operação é incrementada de 50Hz até o limite audível de 20kHz, as lâmpadas fluorescentes podem produzir aproximadamente 10% mais luz, com a mesma potência de entrada (figura 4). Alternativamente, a potência de entrada pode ser reduzida para manter o mesmo fluxo luminoso.

Eliminação da cintilação

Uma lâmpada fluorescente operando a 50/60Hz irá extinguir sua emissão duas vezes a cada ciclo, durante a passagem da onda senoidal pelo zero. Isto produz uma cintilação de 100/120Hz que é percebida, sendo irritante para algumas pessoas. Isto também produz o bem conhecido e potencialmente perigoso efeito estroboscópico em máquinas rotativas (que podem parecer paradas, mas na verdade estão girando).

Entretanto, se a lâmpada trabalha em alta frequência, ela produz luz contínua. Neste caso, como a constante de tempo da descarga é muito mais lenta do que a frequência de trabalho, a lâmpada não consegue extinguir a emissão de luz durante cada ciclo.

A forma de onda de saída de um reator eletrônco será levemente modulada por um ripple de 100/120Hz. Desde que seja mantido um nível razoável de filtragem dentro do reator, as desvantagens associadas às cintilações de 100/120Hz desaparecem.

Nota: por isto é importante que a filtragem da tensão CC, logo após a retificação, esteja sempre em boas condições. Capacitores estufados ou que aquecem demais, devem ser substituídos.

Eliminação do ruído audível

Como os reatores eletrônicos trabalham além da faixa audível, eles não sofrem dos problemas de ruídos que podem ocorrer com os reatores convencionais. Aquele zumbido familiar é causado pelas vibrações das lâminas e do enrolamento do reator. Isto pode excitar vibrações na calha, que efetivamente amplificará o ruído original. Por isto os reatores magnéticos são encapsulados em resina, mas ainda assim podem, eventualmente, emitir ruído por acoplamento.

Nota: apesar de não fazerem ruído audível, eles podem gerar ruídos na faixa de ultrassom, que alguns animais ouvem (cachorro, por exemplo).

Reator menos potente

Um reator eletrônico, irá consumir menos energia e dissipar menos calor do que um reator trabalhando na frequência da rede. Por exemplo, para 2 lâmpadas 1500mm 58W, a enegia dissipada é, tipicamente, 13W por reator, em redes de 50Hz. Já um reator eletrônico irradiaria 9W, também alimentando duas lâmpadas.

Os benefícios de economia de energia dos reatores eletrônicos tornaram possível obter a mesma intensidade de iluminação das lâmpadas fluorescentes com reator convencional de 50/60Hz, para um total de consumo que é menor do que a potência nominal da lâmpada. Isto ocorre por duas razões.

Em primeiro lugar, a lâmpada pode consumir menos energia e emitir a mesma luz, quando trabalha em alta frequência. Em segundo lugar, a potência consumida pelo reator pode ser tão baixa que a potência total do circuito ainda é menor do que a potência nominal, impressa na lâmpada. Por causa disto, a redução de energia pode alcançar de 20 a 25%.

Maior vida útil

Um reator eletrônico, com partida suave para a lâmpada (também conhecida por soft start, que proporciona pré-aquecimento para os cátodos, antes de aplicar um controlado pulso de ignição) irá explusar uma quantidade mínima de material dos cátodos, durante a partida. Isto aumentará a vida útil da lâmpada, ao invés dos impulsos descontrolados a que ela ficaria sujeita nos circuitos com starter.

Nota: o texto imagina uma situação ideal, onde os fabricantes produzem reatores com todas as características desejáveis. Mas a realidade é bem pior que isto, e a durabilidade esperada muitas vezes não é atingida.

Versatilidade no controle da lâmpada

Reatores eletrônicos podem ser dimerizáveis (possibilitam o controle da intensidade luminosa ou dimming). Isto fornece substancial economia de energia nas situações onde as luzes estão conectadas a um sistema de controle automático, que detecta os níveis de luz ambiente e ajusta a saída para manter um nível constante de iluminação. As luzes também podem ser programadas para diminuir de intensidade durante os intervalos em que as áreas não estão em uso, como os horários das refeições.

Reatores eletrônicos podem incorporar realimentação para detectar as condições de operação das lâmpadas. Assim, as lâmpadas defeituosas podem ser desligadas para evitar piscadas e possível dano aos reatores. Eles também podem incorporar uma estabilização, através da qual é mantido um nível constante de iluminação para determinada faixa de tensões de entrada. E a operação pode ser feita tanto em CA como em CC, o que facilita aplicações em iluminação de emergência.

Pequeno tamanho e maior leveza

Devido à alta frequência de operação, os componentes magnéticos num reator eletrônico são compactos e leves, com núcleos de ferrite, ao passo que os reatores convencionais são maiores, mais pesados, com grandes quantidades de ferro laminado e cobre.

O formato e a geometria do reator convencional é determinado pelos requisitos de eficiência magnética, enquanto que o circuito eletrônico dos novos reatores oferece grande liberdade de disposição dos componentes, permitindo chegar a um tamanho menor e com formatos bastante variados.

Topologias dos reatores eletrônicos

O diagrama de blocos de um típico reator eletrônico é mostrado na figura 5.

Um crescente número de reatores eletrônicos estão empregando a correção ativa do fator de potência, na forma de um conversor boost entre o retificador e a filtragem CC. A figura 6 mostra um arranjo simplificado de conversor boost para esta finalidade. Ele obriga o reator a drenar corrente na maior parte do semiciclo, ao invés do pico de corrente que usualmente um retificador e capacitor causariam na forma de onda da rede elétrica. Isto reduz o conteúdo de harmônicos na corrente e incrementa o fator de potência. Também ajuda a reduzir o tamanho do filtro contra interferências eletromagnéticas, já que a filtragem agora requerida é nos harmônicos de alta frequência, causados pelo chaveamento do conversor boost.

Reatores eletrônicos podem utilizar variadas arquiteturas. A mais simples e econômica forma consiste no circuito auto-oscilante com transistores bipolares. É um circuito de laço aberto (open loop), ou seja, não tem realimentação para detectar a lâmpada ou as condições de funcionamento.

Opções mais caras podem conter um oscilador controlado em laço fechado (closed loop) e utilizar MOSFETS. Com circuito integrado dedicado ou microcontrolador, os recursos poderiam incluir regulação para diferentes tensões de alimentação, tanto CA como CC, luminosidade ajustável, partida suave e um mecanismo para detectar e desligar as lâmpadas defeituosas.

Oscilador de bloqueio

O mais básico circuito de reator eletrônico utiliza um oscilador de bloqueio, como mostrado na figura 7. Seu uso é restrito a baixas tensões CC, em reatores de pequena potência, como os utilizados em lâmpadas de mão, luzes de acampamentos e de emergência, quando seu funcionamento é somente por curtos períodos. É que, neste circuito, a lâmpada tem uma vida útil severamente limitada, pois é energizada por uma onda rica em harmônicas. Esta topologia pode ser aplicada tipicamente nas lâmpadas de 4 até 13W, pois acima disso o transistor de chaveamento sofre excessivo estresse de tensão e corrente, devido às altas perdas na comutação.

A tensão necessária para manejar a lâmpada, quando é proveniente de uma fonte de baixa tensão, é alcançada pela relação de espiras entre o primário e secundário, enquanto a oscilação é mantida pela realimentação positiva, fornecida pelo enrolamento auxiliar, conectado à base do transistor. Os valores de R, C, da indutância primária Lpri e os parâmetros do transistor definem a frequência de oscilação e ciclo de trabalho da forma de onda (que deve ser 1:1, pelas razões vistas na primeira seção).

Não é necessário um indutor separado do reator, uma vez que a energia consumida pela lâmpada, durante o desligamento do transistor, é a que foi armazenada em Lpri, durante a condução precedente. O transistor permanece desligado e não irá ligar novamente até que toda a energia armazenada tiver sido entregue à carga. A potência da lâmpada é controlada pela quantidade de energia armazenada em Lpri durante cada ciclo LIGADO.

Ao contrário do oscilador de bloqueio, reatores eletrônicos alimentados pela rede elétrica normalmente utilizam dois transistores em uma configuração push pull ou half bridge. Podem ser tanto um circuito auto-oscilante quanto com oscilador em separado. Com um oscilador próprio, fica facilitado o controle da lâmpada e de sua intensidade. A opção do circuito auto-oscilante tem vantagens no custo, onde são necessários os benefícios da alta frequência, sem a necessidade de dimerização.

O inversor push pull

O circuito push pull pode aparecer como um inversor alimentado por tensão, com carga ressonante em série, ou como um inversor alimentado com corrente, com carga ressonante paralela. Em ambos os casos é necessário um transformador com derivação central.

Nota: este tipo de circuito não é comum nos reatores eletrônicos brasileiros, nunca vi um reator assim em operação. Mas é válido para entender esta arquitetura, muito utilizada nos inversores de amplificadores automotivos e no-breaks.

Inversor push pull alimentado por tensão

A figura 8 mostra uma simplificação deste tipo de circuito. Ele proporciona isolação entre a alimentação de entrada e a saída, com a utilização de um enrolamento secundário separado.

No arranjo alimentado por tensão, a linha de alimentação CC é acoplada diretamente à derivação central do transformador. Ambas as extremidades deste enrolamento são conectadas à massa (zero volt), através de transistores, que conduzem alternadamente durante a operação. A passagem alternada de corrente em direções opostas, através de cada metade do enrolamento primário, induz uma onda quadrada sobre o enrolamento secundário.

Assim que a tensão da linha CC aparece sobre metade do enrolamento primário em determinado instante, o dobro de tensão irá aparecer no total deste enrolamento (de coletor a coletor). Isto significa que cada transistor, durante o seu período desligado, receberá uma tensão entre coletor e emissor (Vce), teoricamente 2 vezes a tensão de alimentação.

Quando a energia é aplicada pela primeira vez, a tensão do secundário não será alta o suficiente para uma partida a frio da lâmpada, que permanecerá em estado de alta impedância. A única corrente que fluirá será através da combinação ressonante de L, C e ambos os cátodos da lâmpada. Esta corrente de pré-aquecimento será suficiente para iniciar a emissão de elétrons dos cátodos, que por sua vez cambiarão a tensão da lâmpada, até um ponto em que a tensão sobre o capacitor C dará início à descarga luminosa (usualmente dentro de um segundo).

Após a inicialização, a tensão sobre a lâmpada cairá e a corrente será limitada e filtrada por L. O capacitor C irá ajudar a filtrar frequências harmônicas residuais e sua corrente cairá a proporções insignificantes, na frequência de operação fundamental. A corrente resultante da lâmpada se assemelhará a uma onda senoidal.

As bases dos transistores são polarizadas através de enrolamentos auxiliares no transformador, que fornecem a necessária realimentação positiva. Uma vantagem com este arranjo, baseado em transformador, é a isolação proporcionada entre a lâmpada e a alimentação.

Nota: é importante lembrar que aqui os transistores funcionam como chaves e quando um deles conduz, é como se o coletor aterrasse aquele lado do enrolamento primário. É por isto que os MOSFETs se deram tão bem com esta arquitetura, pois são chaves muito eficientes.

Inversor push pull ressonante paralelo, alimentado por corrente

A principal diferença deste circuito com o anterior é que a tensão CC que alimenta a derivação central do transformador é feita através de um indutor, que atua como fonte de corrente. Um capacitor C, ligado sobre o primário do transformador, forma uma carga ressonante paralela, resultante da combinação da capacitância de um com a indutância do outro (ver figura 9). Em vez de uma onda quadrada, como no circuito alimentado por tensão, aparece na derivação central uma onda senoidal com retificação completa, cuja amplitude de pico teórica é ∏/2Vdc. Duas vezes esta amplitude aparece sobre todo o enrolamento, pela mesma razão que no circuito anterior. Portanto, a tensão Vce máxima é Vce=∏Vdc.

Uma vez que cada sucessiva metade do sinal senoidal produz fluxo de corrente em direção oposta, através das duas metades do enrolamento, uma onda senoidal é gerada através de todo o enrolamento do primário, com a amplitude pico a pico de 2∏Vdc.

O custo adicional do indutor pode ser considerado como desvantagem. Entretanto, a beleza de um circuito ressonante paralelo, alimentado por corrente, como neste exemplo, é que ele produz naturalmente uma saída de onda senoidal, então a escolha dos componentes para filtrar os harmônicos não é muito importante. Isto permite utilizar um capacitor em série, em vez do indutor L em série, normalmente requerido.

Outro benefício deste tipo de circuito é sua habilidade de continuar a operação normal com a variação de carga, inclusive em circuito aberto. Isto permite operação independente de lâmpadas conectadas em paralelo no secundário, cada uma com seu capacitor, onde a falha de uma ou mais delas não afetará a operação das remanescentes. É o contrário das lâmpadas ligadas em série, em que o defeito em uma delas irá desativar todas as outras no reator.

Tecnologias de saída senoidal são muito populares em reatores auto-oscilantes de baixo custo, devido a estas vantagens e à simplicidade do circuito.

O inversor meia ponte (half bridge)

A topologia meia ponte ou half bridge contém dois transistores NPN, conectados em série sobre a linha de alimentação CC, com a carga conectada no ponto intermediário. Este circuito é chamado de meia ponte por causa do caminho de retorno para a corrente da carga, que é fornecido por dois capacitores em série, conectados aos ramos de alimentação CC. Portanto, a outra extremidade da carga fica ligada no ponto intermediário dos dois capacitores.

Um circuito de ponte completa teria quatro transistores nestas posições, mas este arranjo é raramente utilizado nos reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes. Apesar da tensão sobre os transistores diminuir para a metade, isto não compensa o aumento do custo com quatro transistores de potência, ao invés de dois, além de aumentar a complexidade do circuito, para controlar o tempo de chaveamento dos quatro semicondutores.

Os dois capacitores, que tem uma retância muito baixa e formam essencialmente um curto circuito na frequência de operação do reator, criam um ponto intermediário de referência de CA entre os ramos da alimentação. Isto bloqueia a componente CC, igual à metade da alimentação que seria aplicada à lâmpada, caso o caminho de retorno fosse meramente ligado a um dos pólos.

Inversor meia ponte ressonante paralelo, alimentado por corrente

A figura 10 mostra uma simplificação desta arquitetura. Ela tem um transformador de isolação e a saída sinusoidal permite o uso dos capacitores do reator como fonte de corrente na topologia push pull (figura 9). As indutâncias série L em cada pólo da alimentação também atuam como fonte de corrente.

Como cada transistor conduz em um turno, a carga ressonante, alimentada por corrente, gera polarização alternada com meia senóide, com tensão de pico de ∏/2Vdc, que aparece sobre uma das extremidades do primário do transformador. Outra meia onda aparece sobre o transistor que não está conduzindo. Portanto, a tensão Vce máxima teórica será Vce= ∏/2Vdc.

A soma destas metades de onda produz uma onda senoidal completa com uma amplitude de pico de ∏Vdc. Entretanto, como a corrente de retorno flui pelo pólo CA, criado pela meia ponte de capacitores, somente metade desta tensão aparecerá sobre o primário, resultando em uma tensão pico a pico, no primário, igual a ∏/2Vdc.

Nota (para os principiantes): o valor de Pi (∏) é igual a 3,14159265… Talvez seja o número mais famoso da Matemática, pois é o resultado da divisão entre o valor de uma circunferência e seu diâmetro. É um número intrigante, ainda hoje estudado, desde o tempo dos gregos. O Pi é um número irracional e não se conhece o valor exato dele.

Inversor meia ponte alimentado por tensão

Veja a figura 11. Este circuito não emprega um transformador na saída, então ela não é isolada. A realimentação para controlar os transistores agora é fornecida por dois enrolamentos adicionais no transformador CT1, no caminho de corrente da lâmpada.

Como este circuito é alimentado por tensão, sua saída não é naturalmente sinusoidal. A inicialização da lâmpada, o funcionamento do reator e a forma da onda são fornecidos pela indutância série L e pelo capacitor C em paralelo, como no circuito push pull alimentado por tensão.

No circuito de meia ponte, alimentado por tensão, uma vez que os transistores estão “firmemente ancorados” aos pólos da alimentação, sem qualquer indutância série, eles ficarão expostos a uma tensão Vce máxima teórica igual à tensão CC de alimentação.

Variação do circuito meia ponte alimentado por tensão

Uma alteração deste circuito é mostrada na figura 12, onde os dois capacitores da meia ponte foram substituídos por um simples capacitor de bloqueio de CC, C2. O pólo positivo da alimentação CC é o caminho de retorno da carga.

O circuito funciona do seguinte modo: Ao energizar o circuito, antes da lâmpada acender, C1, L e C2 formam um circuito ressonante série. C2 é maior que C1, então ele é visto como um curto-circuito, comparado a C1. C1, portanto, domina e determina a frequência de ressonância em combinação com L. C1 desenvolve uma tensão alta na ressonância, que dispara a descarga da lâmpada. Neste momento, a tensão sobre o tubo (e sobre C1) cai e C2 então passa a ditar uma frequência mais baixa de funcionamento, em combinação com L.

Nota: este circuito é o mais utilizado em reatores eletrônicos de lâmpadas fluorescentes, conforme visto na prática.

Sumário

Todos os exemplos de circuitos apresentados até este momento utilizam transistores bipolares, principalmente por razões de custo e especialmente nos dispositivos que requerem tensões de 1000V ou mais. Os fabricantes de reatores tem projetos bons e confiáveis em circuitos baseados nas topologias abordadas.

Os circuitos ressonantes paralelos, alimentados por corrente, provaram ser topologias populares nos reatores de baixo custo. Resumindo as razões para isto, eles naturalmente produzem a saída senoidal ideal, o que permite utilizar capacitores ao invés de indutores. Estes circuitos também mantém a operação segura sob condições anormais de carga. As lâmpadas podem funcionar em paralelo, pois a falha de uma ou mais não impede o funcionamento das restantes.

As topologias alimentadas por corrente requerem transistores com Vce mais alto que as configurações alimentadas por tensão. Por exemplo, para a topologia de meia ponte, alimentada por corrente, admintindo margem de segurança de 400V para os picos de tensão na partida e 110% da tensão da rede, um reator de 120V necessitará de transistores com tensão Vce de pelo menos 700V. Se a tensão da rede for 230V, os transistores precisarão suportar no mínimo 950V.

Já para a topologia push pull, alimentada por corrente, serão necessários Vce de 1000V e 1500V, respectivamente.

Otimização da polarização de base para reatores eletrônicos

Esta seção aborda o circuito de polarização de base nos reatores meia ponte alimentados por corrente. A figura 13 mostra um circuito simplificado, que na verdade é o mesmo da figura 10, repetido aqui para facilitar a leitura. Será mostrado o efeito nas formas de onda da comutação, desde um simples circuito de polarização de base até uma solução otimizada.

Requisitos da polarização de base

1 – Cada transistor não deve ser excessivamente polarizado ou saturado quando conduzindo, senão resultará em elevada dissipação de potência na base. Isto também aumentará o tempo de desligamento do transistor (turn-off), levando ao incremento das perdas de comutação;

2 – O transistor não deve ser polarizado fracamente, porque isto irá resultar em excessiva tensão entre coletor e emissor (Vce) durante a condução, levando a elevadas perdas no estado ligado ou incapacitando a manutenção da oscilação. Entretanto, quando o transistor não está saturado, ele terá menos carga para extrair da base, resultando em um menor tempo de armazenamento e em desligamento mais rápido;

3 – O circuito deve manter uma operação confiável e correta para todos os ganhos admissíveis dos transistores, para carga mínima e máxima, para tensão de alimentação mínima e máxima, bem como com todas as tolerâncias dos componentes.

Otimização da polarização de base

Os enrolamentos auxiliares do transformador, que proporcionam a polarização de base, devem conter apenas uma ou duas espiras cada. Para poder produzir um rápido desligamento do transistor, o pico de tensão com carga, na saída do enrolamento, precisa ser tal que faça o transistor “enxergar” uma tensão de desligamento de -5V (5V negativos).

Uma aproximação desta tensão de desligamento pode ser alcançada empiricamente pelo incremento do número das espiras auxiliares, uma por vez. Qualquer ajuste final de tensão, se necessário, poderá ser obtido pela mudança dos componentes de polarização de base.

Polarização de base simples

De modo a alcançar os requisitos de evitar a saturação e conseguir um rápido desligamento, a mais simples polarização de base consiste em um resistor, para limitar a corrente de base positiva, mais um diodo Schottky em paralelo, para descarregar a base tão rápido quanto possível (figura 14).

O uso do diodo Schottky, por sua rápida comutação e baixa queda de tensão direta, é o melhor modo de causar um rápido desligamento do transistor. Um diodo de 1A, 40V, como o BYV10-40, é adequado para a aplicação.

Se o resistor é selecionado empiricamente para saturar levemente o transistor, este simples circuito irá funcionar, mas somente para determinada corrente de carga, tensão de alimentação, ganho de transistor e tensão de polarização da base (esta, vinda do enrolamento auxiliar do transformador).

Alterar qualquer uma destas condições irá causar polarização deficiente do transistor e, em última análise, parar a oscilação. Ou então o transistor será polarizado excessivamente, causando aumento do tempo de queda da corrente de coletor e demasiadas perdas na comutação.

Por exemplo, o valor do resistor foi otimizado para transistores com baixo ganho (baixo hfe, também chamado de beta). A figura 15 mostra o resultado da queda de Ic (corrente de coletor), no instante de desligamento do transistor, ao passo que a figura 16 mostra o efeito da troca do transistor, por outro com alto ganho. As áreas sombreadas, unidas pelas curvas Ic e Vce, representam a dissipação de potência durante a comutação.

Circuito melhorado de polarização de base

É necessário um meio de proporcionar suficiente polarização de base, sob o pior caso das condições de corrente máxima de carga, tensão mínima de alimentação, ganho mínimo de transistor e tensão mínima de polarização de base. Além disso, deve-se evitar excessiva saturação quando as condições são opostas.

Pode-se alcançar este objetivo pelo desvio da excessiva corrente de base para o coletor, quando o transistor está totalmente ligado. Este requisito é parcialmente preenchido pelo Baker Clamp, mostrado na figura 17.

Quando o transistor está em condução total, a tensão coletor-emissor (Vce) irá reduzir ao mínimo. Isto fará a tensão de coletor (Vc) aproximar-se da tensão de base (Vb), então qualquer excesso de polarização da base irá fluir para o coletor através do diodo de anti-saturação D2. Numa primeira aproximação, um resistor R é dividido igualmente em dois e este ponto intermediário é ligado a D2. As figuras 18 e 19 mostram o resultado da queda de Ic. É evidente a redução da saturação do transistor.

Os oscilogramas mostram que, enquanto o circuito simples produz mais corrente de base que o necessário (figura 20), o circuito melhorado reduz este excesso (figura 21).

Circuito otimizado de polarização de base

Para assegurar o adequado funcionamento sob quaisquer condições, a polarização de base pode ser otimizada com o ajuste da relação entre os dois resistores, de modo a variar a quantidade de tensão tap-off. Com o resistor de base dividido igualmente em dois, este circuito em particular sofre com a falta de polarização na base, quando há baixa tensão de alimentação, pois muita polarização é desviada da base. Isto é corrigido pela alteração do ponto de tap-off, movendo-o para a direita (rever figura 17). Considerando que R1+R2 formam a resistência total R, R1 ficará com 2/3 de R e R2 ficará com o 1/3 restante de R.

As figuras 22 e 23 mostram as formas de onda otimizadas das correntes de coletor, e a figura 24 exibe alguns ciclos das formas de onda com a polarização otimizada para a base.

Nota: A tradução exata para o termo tap-off é um tanto estranha, mas, pelo que entendi, seria algo como a tensão de polarização presente no ponto intermediário dos resistores, que depende do valor relativo entre eles, considerando a corrente consumida pela base e os componentes auxiliares.

Circuito de partida

O circuito meia ponte, como descrito até agora, não consegue inicializar sozinho. Ambos os transistores estão desligados e permanecerão desligados quando a energia for aplicada, até que um deles seja artificialmente colocado em condução, para fornecer corrente através do primário do transformador. Este, em seguida, irá induzir uma tensão nos enrolamentos auxiliares que irão fornecer as polarizações de base necessárias para manter a auto-oscilação. A inicialização é obtida através de um DIAC, como o BR100/03 ou DB3, montado como na figura 25.

Quando a tensão de alimentação é aplicada pela primeira vez, a partida do oscilador é obtida da seguinte forma:

– Os transistores Q1 e Q2 inicialmente não conduzem;

– O resistor R4, cujo valor é de algumas centenas de kilohms, proporciona um caminho de alta impedância entre o coletor de Q2 e o ramo positivo da alimentação, para assegurar que Q2 tenha toda a tensão de alimentação antes da partida;

– O capacitor C carrega-se através de R1, até que a tensão de disparo do DIAC D8 seja atingida.

– O DIAC conduz e despeja a carga do capacitor C na base de Q2, ligando-o;

– De agora em diante, a oscilação é mantida pelas tensões induzidas nos enrolamentos do transformador de polarização.

O Diodo D1 descarrega C cada vez que Q2 liga, impedindo que o DIAC alcance novamente a tensão de disparo, durante o tempo de oscilação normal. Isto evita repetidos disparos do DIAC, quando desnecessários, impedindo assim a saturação excessiva de Q2. O período de carga de C para alcançar a tensão de disparo do DIAC é muito maior do que o tempo entre dois períodos ligados de Q2.

Os diodos D4 e D5 fornecem proteção contra correntes reversas para Q1 e Q2.

Neste ponto termina o capítulo 8 do livro da Philips [1], anteriormente mencionado. Como já vimos o princípio de funcionamento, agora serão mostrados diversos circuitos que “destrinchamos”, desde o início da década de 2000. Todos são comumente encontrados no comércio elétrico brasileiro.

Os reatores comerciais

Há muitos anos, venho desmontando diversos tipos de reatores de lâmpadas fluorescentes, na tentativa de consertá-los e entendê-los melhor. Mas o motivo mais importante para isso é a indignação por presenciar tantos componentes eletrônicos indo para o lixo, com pouquíssimo tempo de uso.

É revoltante ver que a alegada durabilidade e economia, tão propagandeadas, não passam, muitas vezes, como desculpa para vender um produto. Pois se fosse verdade, teríamos que comprar as LFC ou estes reatores eletrônicos e descartá-los no lixo somente após uns 10 anos. Mas quantos destes produtos duram quanto dizem, ou quanto realmente economizam? O custo de compra e descarte, dentro do período de uso estimado, também deve entrar nas contas da economia.

Numa época em que o “meio ambiente” é moda e todas as empresas querem posar de verdes, é no mínimo uma grande incoerência ver montes de reatores eletrônicos descartados, sendo que em alguns deles seria suficiente trocar um ou dois componentes, o que aumentaria sua vida útil por um tempo bem mais razoável.

Para levar a cabo a manutenção dos reatores, foi necessário desenhar e modificar vários circuitos, de modo a identificar a influência de cada componente no comportamento geral, pois o material didático disponível sobre eles, na época em que comecei a desmontá-los, era geralmente acadêmico, com abordagens matemáticas profundas.

Por isto, muitas explicações, nas próximas linhas, podem demonstrar a falta de conhecimento sobre o princípio de funcionamento dos reatores, visto há pouco. É que naquela época, eu ainda não tinha obtido acesso ao texto da Philips.

De todo modo, em manutenção é necessário saber apenas o princípio de funcionamento dos circuitos, sem muitas complicações.

Os esquemas também podem conter erros, pois os desenhos mais antigos foram feitos há muito tempo e posso ter me enganado em algumas ligações, já que o assunto era novidade para mim, na época. Quero deixar claro que o intuito aqui é apenas explicar como funcionam os reatores eletrônicos e repassar algumas dicas de manutenção, não montar novos circuitos comerciais.

Como sempre, a qualidade dos reatores fica evidente em alguns modelos, só de olhar a montagem. Uma característica comum tem sido a baixa durabilidade, em comparação com os antigos reatores “automáticos” (figura 26). Na época daqueles reatores convencionais, quando eles eram comprados, dificilmente necessitavam ser trocados. Isto ajudou a popularizar as lâmpadas fluorescentes, pois além da maior eficiência, elas tinham uma durabilidade muito grande.

Posso dar como exemplo minha experiência pessoal. Tenho diversos reatores eletromagnéticos pela casa, comprados quando já estavam sumindo das lojas, há uns 12 anos. Nenhum deles queimou até hoje (2013) e são ligados todos os dias.

Atualmente, a situação piorou. Muitas vezes, os eletricistas são obrigados a trocar, além das lâmpadas, também os reatores, para garantir que não haverá falhas, o que eleva os custos de manutenção. Estas trocas tem ocorrido com maior frequência do que anteriormente.

Aqui é que entra a manutenção, pois diversas vezes os defeitos são simplórios. Comercialmente, talvez não valha a pena, dado o custo relativamente baixo dos reatores eletrônicos. Mas numa emergência, sempre é bom poder dar a volta por cima…

As melhorias e as “piorias”

As tecnologias evoluem, mas às vezes não parece ser para melhor. Por exemplo, a diminuição do diâmetro das lâmpadas fluorescentes, parece concorrer para sua menor vida útil, pois os tubos e filamentos trabalham mais aquecidos. Os reatores para tubos fluorescentes finos (tamanho T5 ou T8) tem que utilizar tensão mais elevada para iniciar a ignição, do que para os tubos grossos (T10, T12). Há, inclusive, reatores antigos que não conseguem dar partida em tubos T8, o que inviabiliza sua utilização nestas lâmpadas. E os tubos T5 nem são compatíveis com os outros, pois tem tamanhos e soquetes diferentes.

Esta é uma avaliação empírica, constatada na prática do dia a dia e me faz perguntar até que ponto é necessária esta “evolução”. Ou tem algum interesse comercial nisso, que a médio prazo faça todos trocarem o tipo de lâmpada que utilizam, mesmo que não queiram? Uma característica que tem sido verificada ultimamente é que o estado da arte tecnológico sempre vem embutido num novo produto, que exige de todos um desembolso muitas vezes desnecessário, visto que o gasto da troca costuma ser maior do que a economia alcançada, dentro do prazo de vida útil.

No caso da criação do trifósforo, não teria sido melhor apenas adaptá-lo às lâmpadas existentes, em vez de criar novos modelos, incompatíveis com os anteriores? Obviamente, falo de mudanças que não quebram paradigmas (como foi com o LED, que está revolucionando a iluminação). Talvez o problema aí fosse aumentar tanto a durabilidade do produto que as vendas estagnariam muito rápido. Fala-se muito em sustentabilidade ambiental, mas na prática, quem mais vende, mais ganha…

Uma desculpa para a utilização de menores diâmetros de tubos é a melhoria na irradiação [2]. As lâmpadas modernas, mais finas, não desperdiçariam a luz emitida para trás, em direção às calhas (figura 27). Mas este desenho é um exagero, com as lâmpadas T12 praticamente encostando no refletor, muito longe da realidade.

Nesta alegação, estão omitindo dados essenciais: primeiramente, o que importa, atrás da lâmpada é o formato da superfície, independente do tamanho do emissor; depois, o maior diâmetro do bulbo implica em maior área de irradiação, o que tornaria estas lâmpadas mais eficientes que os modelos menores.

Por exemplo, na figura 28, coloca-se a junção de duas curvas, exatamente atrás da lâmpada. Ou duas faces retas, cobrindo o diâmetro da lâmpada. Com isso, os raios de luz podem ser direcionados para o local desejado.

Outra possibilidade, seria a criação de uma camada refletora na própria lâmpada, o que obrigaria a ter somente uma posição de montagem, mas também resolveria o problema. A referência [3] comenta este tipo de lâmpadas e informa que este refletor é mais eficiente do que as calhas, mas o uso não foi disseminado, provavelmente devido ao custo para implementar a camada reflexiva interna. Aparentemente, o espelhamento interno é empregado em lâmpadas para bronzeamento.

O que devemos ter em conta é que, se desejamos eficiência energética, temos que nos valer de todos os meios possíveis para alcançar o uso mais racional possível da energia, não necessariamente utilizando novas tecnologias, mas principalmente recuperando o uso de princípios físicos conhecidos há milênios.

Por isto, seria mais econômico desenvolver calhas com curvas bem projetadas, que pudessem aproveitar perfeitamente a luz irradiada. Já foi um avanço a colocação de superfícies espelhadas, pois antigamente todas as calhas eram de cor gelo (não só pelo custo, mas também, provavelmente, para compensar a baixa reprodução de cor das fluorescentes antigas).

Melhorias físicas nas calhas tendem a aumentar o tamanho delas, mas ao menos não seria tão ineficaz como a luminária da figura 29, que tem a face plana junto à lâmpada! O fabricante desconsiderou completamente a existência das cônicas: parábolas, hipérboles ou elipses… Sinceramente, parece amadorismo.

Voltando aos reatores eletrônicos, eles não suportam temperaturas muito altas, comuns em calhas de iluminação. A temperatura admissível costuma ficar entre 50ºC e 70ºC. Os reatores eletromagnéticos, apesar de barulhentos, pesados e ineficientes, não tinham componentes eletrônicos e por isso aceitavam bem os excessos térmicos. Aquele da figura 26, aparentemente aguentava até 105ºC. Eles também toleravam melhor a umidade ambiente e não envelheciam tão rápido. Já os reatores eletrônicos, quando trabalham aquecidos, tem uma vida útil severamente reduzida.

Se os fabricantes de reatores eletrônicos otimizassem seu projetos, para reduzir ao mínimo a geração de calor, certamente seus produtos durariam bem mais. Mas nota-se que muitos deles, além de projetarem dispositivos que utilizam os componentes perigosamente perto de seus limites máximos, ainda fabricam os reatores sem correção de Fp (Fator de potência) ou proteção contra IEM (Interferência Eletromagnética).

Outra característica indispensável, como vimos antes – o pré-aquecimento do filamento -, ainda é negligenciado em muitos reatores. Se a partida é feita a frio, a vida útil da lâmpada encurta drasticamente. Na figura 30, aparece a capa de um antigo reator, que informa não existir pré-aquecimento. Não vi isto escrito em nenhum outro, creio que muitos fabricantes omitem. Ou, quem sabe, hoje todos tenham pré-aquecimento…

Os reatores das LFC (Lâmpadas Fluorescentes Compactas), por sua vez, são piores ainda. Por conta do seu baixo consumo – que se traduz por baixa capacidade de geração de interferências – eles quase nunca apresentam qualquer tipo de filtro contra IEM ou correção de Fp. Especialmente aqueles de marcas desconhecidas.

Cada projeto tem suas vantagens e defeitos, pois depende do fabricante escolher as características que ele considera mais importantes a levar em conta, no momento de industrializar o produto. Ele também tem que estar atento à concorrência (desleal ou não) e ao preço final praticado. Se fizer um produto muito caro, poderá não conseguir vendê-lo.

Para disciplinar este jogo, entram em campo as normas técnicas, que fazem um nivelamento, propondo requisitos mínimos de características e desempenho. A ABNT, no Brasil, faz a sua parte e se não fosse pela pressão sofrida dos diversos setores atingidos pelas normas, os reatores sem correção de Fp e filtragem IEM já estariam banidos do nosso comércio.

Existem duas normas principais aplicáveis, no caso dos reatores eletrônicos: NBR14417:2011 e NBR14418:2011. A primeira trata das prescrições gerais e de segurança, enquanto que a segunda determina os níveis de desempenho.

Quanto às lâmpadas fluorescentes tubulares, as normas aplicáveis são a NBR IEC 60081:1997 (requisitos gerais) e NBR IEC 60901:1997 (prescrições de desempenho).

Exemplos de reatores eletrônicos

ATENÇÃO: Os circuitos mostrados neste texto são apenas informativos, não prestam-se para fins comerciais. Além disso, TODOS ELES PODEM CAUSAR CHOQUE ELÉTRICO FATAL, pois não possuem isolamento da rede elétrica. NÃO MEXA em reatores eletrônicos se não tem experiência em eletrônica. Se ainda assim quiser conhecê-los, faça por sua conta e risco.

Todos os esquemas de reatores, que constam neste artigo, estão juntados em um arquivo pdf, ao final do texto. São perto de 30 modelos, coletados desde 2002. Os tópicos a seguir abordam as peculiaridades construtivas de alguns reatores, bem como dicas de manutenção.

Na figura 31, temos um reator eletrônico comercial (Helfont Duralamp DRS-40, para uma fluorescente de 40W), onde podem ser vistas as diversas formas de onda, extraídas por um osciloscópio, com o reator em operação normal, ligado à lâmpada. É um reator meia ponte, alimentado por tensão e com a saída modificada, ligada somente ao pólo positivo.

Conforme o local de medição, o ponto de referência para o oscilograma pode ser outro, em vez do pólo negativo de C2. As setas azuis assemelham-se com as pontas de prova e indicam estes locais.

Os oscilogramas dão uma ideia dos sinais presentes do reator, ajudando a entender o que foi explicado mais acima, além de mostrar as tensões envolvidas. Por exemplo, a tensão pico a pico (Vpp) da onda, junto à ponte retificadora, é muito elevada (70Vpp), o que pode indicar baixa capacitância de C1 e C2. As medições foram tiradas de um reator usado. Naquele ponto, um valor aceitável de ripple seria algo como 15Vpp, para uma tensão CC de 300V.

As configurações de saída para as lâmpadas

Foram encontrados diversos modos de acoplar a saída do oscilador às lâmpadas, o que evidencia a versatilidade do circuito meia ponte auto-oscilante.

Por exemplo, há circuitos meia-ponte tradicionais (figura 32), em que uma das extremidades da lâmpada é conectada ao ponto intermediário de dois capacitores em série, ligados aos pólos da alimentação. Estes capacitores são exclusivos para esta função.

Eventualmente, a lâmpada pode compartilhar a ligação dos capacitores da fonte de alimentação, que teriam a dupla função de filtrar a tensão da rede elétrica e servir como meia ponte para a lâmpada (figura 33). Este ponto é o mesmo utilizado para a ligação em 127V.

Outra configuração utiliza a lâmpada conectada através de um capacitor a um dos ramos da alimentação CC. É a variação do circuito meia ponte alimentado por tensão, visto anteriormente na figura 12, onde um dos pólos da alimentação serve de retorno da corrente fornecida pela saída. Na figura 34, o retorno de corrente da lâmpada é pelo pólo positivo, ao passo que na figura 35, o circuito de retorno está ligado ao negativo.

Ultimamente, muitos reatores tem ligado o ramo de retorno da lâmpada na entrada da rede elétrica CA (figura 36), através de dois capacitores. O menor deles, sempre ligado ao negativo da alimentação CC. Não aprofundei o estudo desta configuração, mas parece ajudar na correção do fator de potência.

Outro circuito de reator eletrônico, muito interessante, empregado em microscópios provenientes do Oriente, utiliza um pequeno transformador na saída, para energizar uma lâmpada incandescente de 6V, com potência de 20W (figuras 37 e 38). Com esta configuração, a lâmpada fica completamente isolada da rede elétrica.

Na microscopia, as lâmpadas incandescentes ainda são imbatíveis, por causa de sua confiável reprodução de cores.

Adicionalmente, este circuito de fonte chaveada tem controle de luminosidade, permitindo ajustar o brilho da lâmpada desde zero. Além disso, a ligação de 110/220V altera o capacitor responsável pelo controle de brilho, como é possível perceber na figura 38.

O fator de potência (Fp) e a distorção harmônica

Explicando de modo simples, fator de potência é uma das formas de interferência que um equipamento produz sobre a fiação da rede elétrica. Esta fiação é a linha de transmissão, disponibilizada pela concessionária, mais a fiação da edificação. Quanto mais baixo o Fp do equipamento, pior para a rede elétrica. O Fp máximo é igual à unidade.

Por definição, Fp é a relação entre a potência real e a potência aparente:

Fp = Potência Real (em Watt) / Potência Aparente (em VA)

A potência aparente surge quando há uma defasagem entre a corrente e tensão, que é a consequência de existir na linha de transmissão uma carga reativa (que apresenta reação à passagem da corrente elétrica). A potência aparente é dada pelo produto da tensão RMS pela corrente RMS. Ou seja, existe somente em corrente alternada.

O fator de potência pode ser capacitivo ou indutivo, depende de qual polaridade tem a defasagem. Ou seja, se é a corrente que está atrasada da tensão, ou o contrário.

Matematicamente falando, o Fp é calculado extraindo o cosseno da defasagem entre a corrente e a tensão.

Se a corrente e a tensão estão em fase – o que acontece com cargas resistivas – a potência aparente será igual à potência real e o Fp será igual a 1. Em corrente contínua, sempre a potência (em W) corresponde a corrente (I) multiplicada pela tensão (V).

O fator de potência ideal é igual à unidade, quando a linha de transmissão alimenta uma carga completamente resistiva, como uma lâmpada incandescente comum. Cargas reativas, como as lâmpadas fluorescentes e seus reatores, ou qualquer fonte chaveada, ou motores, além de outros equipamentos, apresentam baixo fator de potência se não for feita a correção. O fator de potência, segundo diretriz da ANEEL, é considerado alto se for maior que 0,92.

Olhando com mais cuidado a figura 26, percebe-se que mesmo os antigos reatores eletromagnéticos apresentavam reduzido fator de potência (Fp=0,5, neste caso). Isto ocorre também nos reatores eletrônicos, principalmente nos mais baratos. Dos modelos mostrados até agora (figuras 31 a 38), somente o da figura 36 exibe um fator de potência acima de 0,6.

O baixo fator de potência gera distorção harmônica na linha de transmissão, desperdiçando energia. A distorção harmônica é calculada em percentual é significa uma modificação da forma de onda em relação a uma senóide perfeita. Mais ou menos como a quantidade de “sujeira” que altera a forma ideal da onda. A distorção harmônica também pode ser incrementada por outras interferências, como a frequência de chaveamento do oscilador dos reatores.

Em indústrias, o fator de potência é mensurado pelas concessionárias, podendo incidir em multa, se ficar abaixo de 0,92 ou 0,95 (depende do tipo de consumidor). Nestes locais, o reduzido Fp deve ser corrigido através de sistemas de compensação, como os bancos de capacitores, instalados na entrada da rede elétrica do estabelecimento ou junto a cada motor ou outro equipamento interferente.

Um reator antigo, de partida automática, pode ter o fator de potência aumentado simplesmente adicionando um capacitor junto à sua conexão com a rede elétrica. Para reatores eletrônicos, a forma de corrigir o Fp é um pouco mais complexa, pois deve-se reduzir a interferência da retificação e filtragem.

Nas residências, sempre é considerado Fp=1, o que significa que não pagamos diretamente pelos problemas que causamos. Mas isto não significa que a população está autorizada a piorar a qualidade da rede elétrica. No final, se ninguém cuidar, todos sairão perdendo, pois boa parcela da energia gerada na usina será desperdiçada com o aquecimento das linhas de transmissão, aumentando os custos da energia elétrica. Pagaremos do mesmo jeito – mas muito mais.

Um exemplo prático das consequências do baixo fator de potência pode ser visto na figura 39. A Philips demonstra que a corrente consumida por um reator de baixo fator de potência (0,4), consome mais do que o dobro da corrente de um reator de alto fator de potência (0,92). A corrente totaliza, em 6 lâmpadas de vapor de sódio de 400W cada, 27,6A para o reator com Fp=0,4 e 12A para o reator com Fp=0,92. Em fluorescentes, o comportamento é idêntico. A economia alegada para estas lâmpadas pode ser muito reduzida se não for dada atenção ao fator de potência.

Além da defasagem entre corrente e tensão, originada pela ação da ponte retificadora e seu(s) capacitor(es) de filtragem, há outra interferência que deve ser filtrada, para não voltar pela linha de energia e contaminar as imediações com ruído eletromagnético. Ela é causada pela frequência de chaveamento do reator e pode ser combatida com filtro atenuador de altas frequências. Geralmente, os reatores que tem alto fator de potência também implementam este filtro, quando o produto é desenvolvido para obedecer as normas de compatibilidade eletromagnética.

Os reatores eletrônicos mais antigos tinham uma filtragem tradicional, com bobina simétrica de entrada, junto a um capacitor. É a chamada filtragem de modo comum, em que cada ramo da alimentação tem um indutor idêntico e compartilham o mesmo núcleo (figura 40).

Outros modelos utilizam a filtragem em modo diferencial (uma bobina), como na figura 41, da Philips. Este reator também tem um circuito LC série (L1 e C10) que provavelmente filtra a frequência de chaveamento do circuito.

Atualmente, os reatores implementam um tipo diferente de filtro, não sei se poderia ser chamado de modo comum: as bobinas são montadas no mesmo núcleo, mas são assimétricas, com uma grande diferença de indutância, como o este da Intral (figura 42). Nestes casos, a lâmpada é ligada a um dos pólos de entrada da rede elétrica, através de capacitor.

Este artigo não pretende aprofundar o assunto fator de potência. Para o leigo, é importante saber que, quanto mais próximo de 1 for o Fp, tanto melhor será o reator. Além disso, muitos reatores tem alto fator de potência, mas podem ainda exibir distorção harmônica razoável. Esta, quanto mais baixa for, melhor, da mesma forma que o Fp.

Um estudo interessante, de estudantes da UNICAMP [4], aborda a distorção harmônica causada pelos reatores de lâmpadas fluorescentes compactas (LFC) e estima as perdas em 1,5% nas linhas de transmissão de energia, causadas pelo baixo fator de potência destes dispositivos. Como o estudo é de 2008, é possível que o índice tenha aumentado, em função da popularização das LFC e das fontes chaveadas em geral.

Abordando o mesmo assunto, na referência [5] há um extenso trabalho de estudantes da UFSC sobre o comportamento das LFC, que também alerta para a grande quantidade de perdas. Outro estudo, proveniente da UNB [6], faz uma avaliação das características elétricas dos reatores eletrônicos para fluorescentes tubulares. E a Motorola (ON semiconductor – [7]), publicou em 2011 um “livro de receitas” sobre as metodologias de corrigir o fator de potência.

Por coerência, seria interessante que todo e qualquer equipamento eletrônico posto à venda, que seja alimentado pela rede elétrica, exibisse um elevado fator de potência e baixa distorção harmônica. Isto melhoraria o desempenho final de todo o sistema elétrico e minimizaria a grande quantidade de interferências eletromagnéticas, reduzindo o desperdício. Mas, mesmo com todos os fabricantes posando de verdes, atualmente, pouca coisa neste sentido tem sido feita, nos equipamentos mais baratos.

Recursos adicionais dos reatores

Os reatores recentes vem empregando circuitos mais elaborados, geralmente para aumentar a segurança, de modo a proteger o equipamento contra queima. Fiz uma transcrição livre da pequena seção “Circuito de Segurança”, proveniente da nota de aplicação da ON Semiconductor, AN1543, “Electronic Lamp Ballast Design” [8]. Aquele artigo é bem completo, muito explicativo e tem os cálculos necessários para projetar reatores eletrônicos auto-oscilantes. O trecho traduzido trata especificamente da segurança contra falhas.

Circuito de segurança

O circuito de segurança pode ficar limitado a um simples fusível, para desligar a alimentação em caso de sobrecarga. Um modo mais sofisticado, e também mais oneroso, é utilizar chave térmica para abrir a linha CC, se a temperatura interna do módulo ultrapassar um limite de segurança, entre 85 e 100ºC.

Entretanto, no estágio inicial de energização, o reator deve ter certeza que a fluorescente ligou, caso contrário o circuito pode ser danificado pela operação contínua no modo ressonante. A corrente pode ser muito alta e alcançar rapidamente os níveis máximos dos transistores de potência. Obviamente, um atraso deve ser proporcionado para haver tempo suficiente para o pré aquecimento dos filamentos e o disparo da lâmpada.

Basicamente, nesta forma de proteção, o circuito auto-oscilante é desligado pelo aterramento da base do transistor do ramo inferior, que está conectado ao pólo negativo (comum). Isto é implementado através de um SCR ou um pequeno transistor, que desvia a corrente da base (ou da porta) para o terra, como mostra a figura 43.

Nota: Na verdade, a técnica mais empregada, conforme constatado nos reatores desmontados, utiliza o aterramento da base, como mostrado acima, aliado a um enrolamento adicional na bobina de cada lâmpada, para funcionar como disparo da proteção, como será visto nos próximos esquemas de reatores.

O circuito de polarização de base também pode ser desconectado pela utilização de um enrolamento adicional sobre o transformador de polarização. O SCR desvia toda a corrente disponível para a terra: esta técnica chaveia tanto Q1 como Q2 e o SCR pode memorizar a falha até que o usuário desligue a energia (figura 44).

Outra maneira é abrir a conexão do emissor com o terra, como visto na figura 45, mas é uma solução relativamente complexa e pouco rentável.

Nas figuras 46, 47, 48 e 49, temos alguns circuitos com este tipo de proteção. Eles utilizam realimentação da saída, através de pequenos enrolamentos auxiliares nas bobinas junto das lâmpadas. Estes sinais de retorno comandam um transistor ou um SCR, acoplado ao transistor de saída que está ligado ao ramo negativo da alimentação. O método independe do tipo de transistor de saída – bipolares ou MOSFETs – e da carga, pois também é utilizado em reatores para lâmpadas fluorescentes de cátodo frio, como o da figura 49.

Controle de luminosidade ou “dimerização”

Um recurso muito útil, facilitado pelos reatores eletrônicos, é a capacidade de variar a intensidade luminosa das lâmpadas fluorescentes. Isto permite, por exemplo, melhorar a economia de energia em empresas, que podem reduzir a iluminação em áreas de passagem ou com pouco uso. Em casas noturnas, onde é desejável a penumbra, poderiam ser colocadas lâmpadas fluorescentes coloridas com iluminação diminuída. Em residências e pequenos comércios, pode-se iluminar fracamente áreas de pouco uso ou de passeio, que não necessitam de tanta luz.

Como primeira possibilidade de atenuação, pode ser feita a simples redução da tensão de entrada do circuito. Um reator eletrônico, configurado para trabalhar em 220V, geralmente conseguirá dar a partida quando alimentado com 127V. A iluminação será mais fraca, mas sem cintilação. Isto foi comprovado em testes com algumas marcas de reatores simples. Não é uma garantia de que qualquer reator eletrônico comporte-se da mesma maneira.

Por outro lado, é possível prever o comportamento de um circuito projetado para 127V, quando ligado em 220V. Neste caso, o capacitor da fonte tenderá a explodir, além de queimar os transistores do oscilador, o que inutilizará o reator. Apesar de parecer óbvio, algum principiante poderia perguntar o que aconteceria…

Revendo as figuras 37 e 38, temos ali outra forma de variar a intensidade da corrente para a lâmpada: através da modificação do ciclo de chaveamento dos transistores. Aquele circuito é utilizado para alimentar uma pequena lâmpada incandescente de microscópio. Deve-se observar que o circuito sofre modificação conforme a tensão de trabalho. Há também diversos estudos sobre o controle de luminosidade para fluorescentes, com abordagens bem variadas, nas referências [9] , [10] , [11] e [12].

Diferenças entre os transistores bipolares e MOSFETs

É interessante comparar o número de espiras do transformador toroidal que controla o chaveamento dos transistores, quando são bipolares ou MOSFET, como na figura 50. A razão da diferença é que os transistores MOSFET necessitam de polarização de porta com tensão bem mais elevada do que os transistores bipolares.

Para chavear corretamente os MOSFETS comuns, é necessário uma tensão de porta em torno de 10V, ao passo que transistores bipolares já conduzem plenamente com 1V na base. Por causa disto, os transformadores para MOSFETs tem 12 a 14 espiras em cada secundário, enquanto que circuitos com transistores bipolares, precisam somente de 2 a 6 espiras. Há também MOSFETs que chaveiam em torno dos 5V e são indicados para trabalhar diretamente com circuitos digitais.

Os reatores com transistores MOSFET

Nos modelos desmontados verificou-se, por exemplo, que os transistores MOSFET, utilizados nos antigos reatores Helfont e Philips (IRF810S), aqueciam mais do que os modelos da Imatron e Intral, com transistores bipolares (MJ15002 ou KSC5305D). Até o momento (2013), só encontrei aquelas duas marcas que utilizaram transistores MOSFET em seus reatores. As figuras 51, 52 e 53 mostram a semelhança entre os seus produtos, o que sugere que a Helfont (Grupo AXA) era subsidiária da grande marca holandesa.

Atualmente, não são mais vistos no comércio regional os reatores eletrônicos com saída MOSFET, não sei o motivo exato. No entanto, os circuitos propostos nas notas de aplicação dos fabricantes de componentes para reatores eletrônicos, bem como os trabalhos acadêmicos, geralmente implementam a saída com transistores MOSFET, como é possível perceber nas referências [12] a [20].

Os defeitos mais frequentes dos reatores eletrônicos

Nos reatores que estudei, o problema mais comum foi a diminuição do valor dos capacitores, especialmente os não polarizados. Estes capacitores, geralmente de polipropileno ou poliéster metalizado, tem como característica jamais entrar em curto-circuito.

É que as camadas de alumínio, vaporizadas sobre o dielétrico plástico, são tão finas que, se um arco elétrico perfurar o dielétrico, irá apenas aumentar o buraco, isolando novamente a área. Mas a capacitância diminuirá, a cada vez que isto ocorrer.

Este problema foi percebido nos capacitores de correção do fator de potência, nos que fornecem a corrente para a lâmpada (que ficam em série com ela) e nos de ignição (que ficam em paralelo com a lâmpada). Nos capacitores de baixo valor, que são ligados ao aterramento, também foi percebida severa redução.

Mas, em reatores que usam componentes de menor qualidade, o curto-circuito de capacitores pode acontecer. Observei isto num reator para 2 lâmpadas de 40W (figuras 54 e 55), onde queimou o capacitor de partida de uma das lâmpadas. O estrago foi grande, pois queimou também um fusível impresso, dois diodos da ponte retificadora, os dois transistores de saída e os respectivos resistores de emissor. É provável que o defeito tenha sido causado por falha na solda de um dos eletrolíticos da alimentação (figura 56).

Muitos reatores deixam de funcionar quando vários capacitores estão com seus valores um pouco diminuídos, em média de 10 a 20% do valor nominal. Isto foi verificado em outro reator para duas lâmpadas de 40W (figuras 57 e 58), que tinha funcionamento errático: umas vezes ligava, outras não. Todos os componentes foram testados e estavam normais. No entanto, vários capacitores estavam com capacitância reduzida, em torno de 10% do valor nominal. Não foi medida a ESR dos capacitores eletrolíticos, que poderia também ser uma causa de falha.

Nos reatores com saída MOSFET, os capacitores de correção do fator de potência quase sempre estavam com valor muito abaixo do nominal. Cheguei a encontrar um capacitor de 2,2nF, 1KV, com apenas 12pF. Houve também, não tantas vezes, diminuição severa nos capacitores que ficam em série com a lâmpada. Por exemplo, um de 220nF, apresentava somente 55nF (figura 59). Na maioria dos reatores Helfont e Philips abertos, a diminuição do valor ficava em torno de 5 a 20% do nominal.

Os capacitores eletrolíticos, que filtram a tensão proveniente da rede elétrica, também apresentaram defeitos. Se eles são grandes e/ou são montados elevados da placa, aumenta a chance de problemas nas soldas.

Outras falhas parecem ocorrer quando o reator trabalha muito aquecido. Em lâmpadas fluorescentes compactas, muitas vezes os eletrolíticos chegavam a estourar. Nos reatores de fluorescentes tubulares, era mais comum o estufamento.

O aquecimento dos eletrolíticos aumenta caso eles tenham um valor muito baixo, em função do regime de uso. No caso das LFC, houve estouro de capacitores de 10uF, presentes nas lâmpadas de 15 e 20W. Em reatores para tubos de 40W, houve estufamento em capacitores de 22uF e 47uF (figura 60).

A substituição dos eletrolíticos por outros de valor maior, ou com tensão de trabalho mais elevada, ou de menor ESR, costuma minimizar o problema, pois estes capacitores são maiores e irão aquecer menos.

Resistência Série Equivalente – ESR

ESR (Equivalent Series Resistance) é a resistência interna ou dificuldade que o capacitor apresenta aos ciclos de carga e descarga. Quanto maior a ESR, mais tempo leva para o capacitor carregar-se (ou descarregar-se) completamente. Por isto, só medir a capacitância em eletrolíticos não indica que o capacitor esteja apto para uso.

Dois capacitores de mesmos valor e tensão de trabalho, mas com ESR muito diferentes, terão uma grande diferença nas dimensões (figura 61). Menor ESR implica em tamanho maior. Compare, por exemplo, dois capacitores eletrolíticos de 470 uf, 25V, classe 105ºC. O maior foi comprado recentemente – de um fornecedor confiável -, para substituir o menor, em uma fonte chaveada. Por isto que capacitores tipo longa vida (LL = Long Life), são tão grandes, especialmente os da linha Computer Grade. Nas referências [21] a [23], estão alguns links para montar medidores de ESR, bem como entender seus fundamentos.

Outra técnica para melhorar o desempenho, de uso comum em fontes chaveadas, é colocar vários capacitores em paralelo, o que divide o aquecimento por todos e diminui a ESR. Mas em reatores, não há muito espaço para isso.

O aquecimento dos outros componentes

Algumas vezes os reatores apresentavam marcas de aquecimento na placa (rever figura 1). Estes excessos podem ocorrer por causa de projetos que utilizam os componentes muito próximos de seus limites, ou por condições ambientais desfavoráveis, como uma lâmpada instalada muito próxima do telhado, sem qualquer isolamento térmico.

Nas figuras 62 e 63 temos um reator da Osram, para duas lâmpadas de 32W, que aqueceu muito, inclusive o transformador toroidal. Este reator estava embutido em local muito pouco ventilado.

Nos reatores com saída MOSFET, geralmente os diodos de proteção das portas (dois zeners em série, opostos, ligados entre porta e supridouro) aqueciam bastante, bem como os transistores de saída (que na maioria das vezes estavam queimados – ver figuras 64 e 65). Esses diodos determinam a tensão máxima aplicada à porta.

Também pode ocorrer a queima de algum indutor ligado à lâmpada. Na figura 66, pode-se ver um reator para lâmpadas de cátodo frio, em bom estado. Já na figura 67 é possível notar o estrago feito num dos indutores. Neste último reator, os dois transistores de chaveamento também queimaram, evidenciando falha no circuito de proteção.

Como curiosidade: aquele pequeno enrolamento externo, de poucas espiras, é utilizado pelo circuito de proteção, como mostrado na figura 48. É uma das bobinas LLamp.

Dissipação de calor

A preservação física dos transistores é sempre um desafio para os projetistas, pois a obrigatória dissipação de calor destes componentes leva às soluções mais variadas possíveis. Lamentavelmente, poucos fabricantes optam pelo aumento da área de dissipação, com o uso do alumínio e da cor preta, para ajudar na troca de calor com o ambiente. Nem falo de utilizar cobre, pois seu custo seria proibitivo. Aqui, é um dos locais onde o custo baixo impera.

No caso dos reatores com caixas inteiramente plásticas, costuma-se anexar ao transistor um pequeno dissipador de alumínio, como na figura 68 e 69. Se a carcaça tem alguma parte metálica, eles são apoiados nela (figuras 70, 71 e 72).

Alguns transistores, apesar de terem o encapsulamento isolado, ainda contam com uma camada isolante de poliéster. Isto pode dificultar a transferência de calor e causar a fadiga prematura do componente (figura 65). Nas figuras 71, 72 e 73, podem ser vistos alguns tipos de isolamento empregados nos reatores.

Reatores em carcaças plásticas tem como vantagem a isolação elétrica, mas o calor gerado internamente deverá ser muito baixo, pois a área de ventilação é pequena. A situação pode piorar se o molde plástico da injeção deixar rebarbas, suficientes para obstruir as aberturas de ventilação, como na figura 74.

Falhas simples

É um tanto incomum, hoje em dia, encontrar equipamentos com defeito de solda ou de conexão, já que as montagens são muito automatizadas. Mas acontece.

Nas figuras 75 e 76, temos a entrada da rede elétrica de um reator Helfont, onde o anel de latão simplesmente não prendeu o cabo. Como era um problema interno, o reator tinha sido substituído por causa disto. Ele foi desmontado e todos os seus componentes estavam em bom estado.

Outra falha ocorreu com um reator Intral, modelo Poup AFP (figura 77). Comprei este reator para meu uso, inclusive fiz questão que fosse um modelo de alto fator de potência. Mas, algumas horas depois de ligá-lo, a lâmpada começou a piscar, lentamente. Ligava um pouco, desligava por um tempo, religava…

Liguei para o fabricante, que prontamente informou que enviaria outro reator para substituição, sem custos. Solicitei ao atendente a forma de devolver o reator com defeito, mas, provavelmente por causa dos custos de transporte, ele disse que eu poderia ficar com o produto.

Era a chance que eu esperava: como não tinha mais problemas de garantia, poderia abrir e pesquisar um reator que, sabidamente, tinha todos os componentes novos, em perfeitas condições de uso.

Ao abri-lo, foi encontrada uma falha na solda em C7, um capacitor de disco, como se vê nas figuras 78, 79 e 80. Ressoldado o componente, o reator voltou a funcionar.

Fusíveis

Os fusíveis, em qualquer aparelho, são projetados para interromper uma conexão, caso a corrente ultrapasse determinado limite. Isto protege o equipamento – inclusive o ambiente no seu entorno -, pois sua função é evitar incêndios.

Nos reatores de preço mais elevado, os fusíveis são componentes montados sobre a placa, como mostram as figuras 81 e 82.

Mas, nos equipamentos de menor custo, os fabricantes optam pelo desenho do fusível no próprio circuito impresso, como nas figuras 83, 84 e 85. O fusível impresso diminui os custos de produção, mas também dificulta a manutenção, já que não tem indicação de corrente.

Por outro lado, os fusíveis impressos, quando desenhados em forma de bobina, como o da figura 85, podem dificultar a propagação de surtos provenientes da fiação, como raios, pois estas descargas elétricas não seguem curvas abruptas. Aquele reator parece ter queimado por causa de um raio, visto que o outro pólo, junto ao fusível, também evaporou um trecho de cobre e a área aquecida é do lado das conexões com a rede elétrica.

Os reatores para lâmpadas germicidas

Além do uso em microscopia, já abordado, presenciamos o uso destes reatores eletrônicos em outras aplicações, como a energização de lâmpadas especiais (figura 86). As lâmpadas germicidas ultravioleta ou UV (figuras 87 e 88) são exatamente iguais às lâmpadas fluorescentes comuns, inclusive nos tamanhos e tipo de acionamento. Mas tem duas diferenças.

Primeiramente, o tubo é de quartzo, não de vidro comum, o que permite a passagem da luz ultravioleta por suas paredes. Depois, os bulbos são totalmente transparentes, pois não tem a camada de fósforo para converter a descarga elétrica (plasma) em luz visível. Os raios ultravioleta, assim, são gerados e emitidos livremente por esta lâmpada.

O seu uso é indicado em locais onde há necessidade de um potente efeito esterilizante, como em hospitais e laboratórios. Em escritórios, é possível esterilizar o ar proveniente de dutos de ar condicionado, com a instalação de módulos específicos, que nada mais são do que um sistema de reatores, soquetes e lâmpadas, numa estrutura de montagem que traz alguns alertas (figura 89). Também são utilizadas para esterilizar a água.

Não confundir estas lâmpadas de bulbo transparente com aquelas escuras, chamadas de “luz negra”, que emitem um violeta forte, próprias para destacar filigranas em dinheiro verdadeiro. E também usadas em casas noturnas, para verificar o carimbo invisível de ingresso.

As lâmpadas germicidas devem ser instaladas em locais completamente fora do alcance visual, pois são extremamente perigosas à saúde, principalmente pele e olhos, como é possível verificar nos alertas da própria lâmpada e nos equipamentos que as utilizam.

Estas lâmpadas emitem ultravioleta na faixa de 250 a 255 nm, conforme [27]. A faixa utravioleta tipo C (UV-C) fica entre 100 e 280nm, portanto as lâmpadas germicidas emitem raios UV-C, os mais perigosos. Os raios UV-C são bloqueados pela ionosfera, não alcançam nem a camada de ozônio, conforme [28] e [29]. Assim, é necessário projetar adequadamente os locais onde estas lâmpadas serão instaladas, para evitar a qualquer custo o contato com a irradiação.

Os raios UV-C tem a propriedade germicida porque, quando iluminam um microorganismo, colam estruturas microscópicas e alteram o DNA das células, deixando-as estéreis e levando-as à morte. Se alguém expuser a mão a estes raios, por pouco tempo que seja, poderá desenvolver câncer de pele. Na referência [30] tem um texto muito completo, da UV Solutions, sobre os raios UV-C.

Outro efeito da radiação ultravioleta, conforme colaboração do leitor Flavio Magnusson Jr., que trabalha na área, é que a radiação UV-C gera ozônio, devido à quebra da molécula de oxigênio do ar(O2), formando O3(ozônio), que é instável e em pouco tempo se torna O2 novamente. O ozônio é tóxico e até fatal em grandes quantidades, mas também é um poderoso germicida e bactericida nas quantidades corretas, sendo 200 vezes mais potente que o cloro para desinfecção, além de ecologicamente correto.

Um alerta para aqueles que manuseiam/utilizam, sem qualquer cuidado, lâmpadas HID (High-Intensity Discharge lamps), que emitem cor branca azulada, muito populares em tunning de automóveis. São lâmpadas de descarga, utilizam mercúrio sob alta pressão e o bulbo destas lâmpadas é de quartzo, muito semelhantes às lampadas germicidas. Se não houver filtro adequado, elas certamente emitirão altos índices de raios ultravioleta. Normalmente, há um segundo bulbo, mais externo, feito de vidro, que bloqueia os raios UV.

Mas, se forem originárias de fábricas desconhecidas, as lâmpadas HID poderão, por razões de economia na produção, apresentar composições metálicas diferentes, pressões mais baixas ou deficiências de qualidade e emitir mais UV. Na referência [31], tem um artigo com os fundamentos destas lâmpadas e as características ideais.

Mais uma curiosidade: os insetos são atraídos muito mais intensamente por luzes com emissão azulada ou ultravioleta. Por isto é que uma lâmpada fluorescente enche de mariposas e outros insetos notívagos, ao passo que uma incandescente, nem tanto. A tecnologia é como uma gangorra: melhora um lado, mas do outro…

Radiação UV

Como adição ao que já foi exposto sobre o funcionamento das lâmpadas fluorescentes, é importante abordar o problema da emissão dos raios UV.

As lâmpadas fluorescentes são um tipo de lâmpadas de descarga, ou seja, os eletrodos estão isolados um do outro. Quando ocorre a ignição da lâmpada, forma-se um percurso de corrente entre os eletrodos, que é o arco elétrico ou plasma.

O composto metálico no interior do bulbo, junto com determinados gases, sob determinada pressão, é que determinam o espectro de emissão da lâmpada. O mercúrio a baixa pressão emite na região do ultravioleta tipo C. Quando sob alta pressão, o espectro de emissão espalha-se até a luz visível, com tons azulados, quase chegando a ser neutros, como nas lâmpadas HID.

O sódio, por exemplo, quando sob baixa pressão, emite aquela luz amarela, muito eficiente, típica da iluminação pública. Sob alta pressão, emite luz branca, com tom amarelado.

Para evitar de utilizar o mercúrio nas lâmpadas, já que é muito poluente, estão sendo feitas pesquisas com outros materiais, como o zinco metálico, mas em 2013 ainda não há nada comercialmente disponível que substitua este metal pesado.

Então, toda lâmpada fluorescente emite, internamente, raios UV-C, pois utiliza vapor de mercúrio sob baixa pressão. Nós podemos enxergar a brilhante luz delas porque há uma camada que serve de anteparo aos raios UV e os converte em luz visível. Este isolamento é auxiliado pelo material do bulbo, que é um vidro que tem como propriedades bloquear os raios UV.

Mas é correto dizer que as fluorescentes não emitem nada de UV para fora do bulbo? Certamente que não. Nos anos 50-70, havia uma lenda, proveniente dos países orientais, de que não era recomendável trabalhar embaixo das lâmpadas fluorescentes, pois elas deixavam as pessoas carecas. É provável que, no início do desenvolvimento destas lâmpadas, isto fosse realmente verdade.

Hoje em dia, com a profusão de fabricantes, é de se perguntar se o controle de qualidade nas lâmpadas é igual para todos eles. Obviamente, devem haver muitas diferenças.

Um estudo publicado na American Scientist em 25 de julho de 2012, dá um alerta: não é recomendável ficar muito próximo de lâmpadas fluorescentes compactas, pois elas emitem alguma quantidade de luz ultravioleta. O artigo original está em [32] e foi traduzido para o português, por Sang Eun Lee. Ele está em meu post anterior.

Essencialmente, aquele trabalho comprova a existência de raios UV em distâncias muito próximas das lâmpadas fluorescentes compactas, como as utilizadas em abajures, tipicamente a 30 cm. No experimento, foi identificado o desenvolvimento de câncer em camadas profundas de tecidos epiteliais. Os cientistas chegaram a comparar esta distância a uma exposição ao sol, na linha do Equador. É preocupante!

O estudo mostrou que o perigo aumenta com lâmpadas de qualidade duvidosa, onde a camada de fósforo pode ter distribuição irregular e lascar, principalmente nas curvas/dobras do bulbo, deixando áreas expostas.

Empiricamente, eu já tinha constatado este problema, quando fotografei uma fluorescente compacta de marca desconhecida e comparei com outra, de fabricante renomado. Eu queria comprovar a espessura da camada de fósforo, e fiz um experimento simples, usando… uma lâmpada incandescente! É aquelas antigas lâmpadas de rádios à válvula. Nas figuras 90, 91 e 92 é possível perceber que a camada de fósforo da lâmpada mais barata é quase transparente, pois percebe-se o filamento da lampadinha, que está do outro lado do bulbo. Duas camadas de fósforo, portanto. Tem um vídeo destas lâmpadas, para mostrar ao vivo e a cores as diferenças:

Por outro lado, mesmo utilizando lâmpadas de boa procedência, é possível identificar a existência de raios UV, através da observação do comportamento de plásticos, expostos por longos períodos a estas lâmpadas. De uma forma ou de outra, há certamente alguma emissão.

Na figura 93, temos um pote de sorvete que está esboroando, devido à exposição direta a uma lâmpada fluorescente, em minha oficina, que utiliza lâmpadas tubulares de 40W. Sempre cuidei de utilizar lâmpadas de marcas renomadas. O interessante é que este pote, utilizado para guardar adesivos, como cola isopor, fita crepe, auto fusão e isolante, ficava sempre coberto do lado esquerdo. O lado direito, que era exposto à luz, perdeu a flexibilidade e quebra facilmente.

Outro caso é uma bomboniére (figura 94), que ficava em cima de uma geladeira. O corpo plástico da bomboniére era de excelente qualidade, mas ficou amarelado na face exposta à lâmpada, após alguns anos.

Em ambientes comerciais, onde é frequente a utilização de lâmpadas fluorescentes, o amarelamento de plásticos pode ser percebido em equipamentos com alguns anos de uso, como impressoras e gabinetes de computadores, quando são de cores claras.

Uma solução paliativa para este problema – sem voltar às incandescentes, nem pagando os olhos da cara pelos LEDs – poderia ser a utilzação de lâmpadas fluorescentes com tom de luz mais amarelado (branco quente, na faixa de 3000K), pois estas contém uma mistura com sódio dentro do bulbo, para auxiliar a descarga elétrica. Por isto é que demoram a emitir a intensidade de luz total, logo que são ligadas. O sódio emite dentro da faixa visível, o que poderia contribuir para reduzir a emissão de raios UV.

Uma adaptação estável

Muitos dos reatores que estudei tinham falhas que poderiam ter sido corrigidas nos projetos. Com base na experiência adquirida e tendo identificado os circuitos mais estáveis para funcionar como reatores eletrônicos, fiz uma série de adaptações em um reator comercial, chegando a um circuito que até hoje dá muito poucos problemas.

Reconheço que o que fiz não é uma técnica aceitável, pois a tentativa e erro toma muito tempo e nem sempre leva a algum lugar. Mas, quando estão envolvidas muitas variáveis, pode ser uma boa opção, se não dispusermos ou não soubermos utilizar um simulador. Naquela época, eu ainda não tinha lido o texto da Philips, que reproduzi no começo deste artigo.

Obviamente, nem tudo é perfeito. Para não aquecer nenhum componente, a frequência de chaveamento ficou baixa, por volta de 27KHz. Isto poderia trazer algum desconforto para animais que ouvem o ultrassom, mas não cheguei a notar este efeito. Os indutores são os mais propícios a gerar estes problemas.

Trabalhei vários anos com televisores de tubo de raios catódicos, cuja saída horizontal operava a 15KHz, aproximadamente. Sei do risco de ser gerada alguma vibração na frequência de chaveamento. Na época, eu conseguia ouvir perfeitamente um flyback “apitando”, era muito irritante. Mas em frequências mais elevadas, falta ouvido e faltam instrumentos de medida, que possam aferir adequadamente este problema.

Tenho para mim que muitos comportamentos agressivos de cachorros sejam causados por reatores que emitem ultrassom. Por exemplo, várias lâmpadas compactas, ligadas a noite toda em um pátio. Cachorros presos, com orelhas cortadas, que não podem abaixá-las para não ouvir um ruído incômodo, poderiam ficar extremamente irritadiços. Somando com a índole agressiva… Mas é só uma opinião.

Apesar disso, foi verificado que os fabricantes tomam certos cuidados. A maioria deles enverniza seus indutores. Já o transformador de polarização dos transistores, não recebe tanta atenção. Talvez as poucas espiras e a pequena corrente que transita por ele sejam insuficientes para excitá-lo fisicamente.

A Intral, por exemplo, banha completamente as bobinas com um verniz, que mais se assemelha a uma cola pegajosa. Provavelmente seja para reduzir a possibilidade de vibrações em altas frequências (rever figura 77).

Voltando ao nosso circuito (figura 95), vemos que ele utiliza transistores bipolares para chaveamento, pois estes mostraram-se mais robustos do que os MOSFETs, em reatores eletrônicos.

Além disso, os resistores de emissor causam uma grande diferença no aquecimento dos transistores (maior valor, menor aquecimento), mas influenciam também na frequência de chaveamento, que sempre deve ficar acima da faixa audível para os humanos.

Outro aspecto é o fator de potência, que tentei corrigir mantendo o circuito original da placa. Ainda necessito fazer algumas medições para identificar a eficiência desta filtragem, pois ela não foi projetada especificamente para a adaptação. É provável que, ajustando L1, ocorra uma melhora no Fp.

Adaptei esta configuração em alguns reatores da casa, que até agora somente necessitaram trocar lâmpadas. Nenhum deles queimou, em mais de 8 anos de uso. O investimento parece ter valido a pena.

Reciclagem

A quantidade de componentes que os reatores eletrônicos utilizam, evidencia a importância da reciclagem, quando eles chegam ao final de sua vida útil. Considerando que há diversas substâncias que são utilizadas para sua fabricação, é interessante a possibilidade de recuperá-las, diminuindo o impacto ambiental da mineração e o consequente processamento industrial.

Outra forma de reciclar é reutilizar os componentes eletrônicos, o que possibilita a manutenção de outros reatores, ou até mesmo o emprego das peças em novos circuitos.

Muitas vezes, os reatores não funcionam por problemas simples e já são descartados. Quando são desmontados, percebe-se que praticamente todos os componentes estão em ordem, alguns com pequenos desvios dos valores originais.

Isto ocorreu nos três reatores acima, que não funcionavam, nem apresentavam marcas de sobreaquecimento (figuras 96 a 101). Após a desmontagem, com todos os componentes testados, foi verificado que alguns capacitores estavam com os valores levemente diminuídos. É possível que, quando vários capacitores estejam com os valores baixos e seja ultrapassado o valor mínimo da tolerância, os circuitos deixem de operar.

Dos componentes para reciclar, alguns são interessantes ter em estoque, como o termistor NTC, os indutores, os transistores de chaveamento, o diac, os diodos rápidos e, eventualmente, o SCR de baixa potência. Os capacitores, se não estiverem com os valores muito alterados, também poderão fazer parte do “acervo”. Até os resistores pode ser interessante guardar, pois alguns fabricantes utilizam modelos de filme metálico, que abrem rapidamente, como um fusível, em caso de sobrecarga.

Mais informações

Para quem quiser maiores informações sobre os reatores eletrônicos, recomendo procurar trabalhos acadêmicos e notas de aplicação dos fabricantes de componentes eletrônicos, que podem explicar melhor o comportamento dos circuitos aqui apresentados e trazer novas ideias.

Já comentados anteriormente, temos a AN1543, da On Semiconductors [8], que traz uma abordagem completíssima e bem detalhada sobre as topologias de reatores eletrônicos, utilizando transistores bipolares ou MOSFETs. Também aborda a dimerização. Obviamente, a nota de aplicação evidencia as vantagens dos produtos da marca.

Na referência [16], temos um trabalho proveniente da UFES, que trata de um reator eletrônico de baixo custo e alto fator de potência. No entanto, o diagrama esquemático da figura 1 deste trabalho parece estar incorreto.

Em [17], um trabalho de estudantes da UFSM aborda a criação de um reator eletrônico auto-oscilante de alto Fp para 4 lâmpadas fluorescentes. Outro artigo, originário da UFSM [18], estuda o desenvolvimento da metodologia de projeto do reator eletrônico auto-oscilante.

Da UFJF [19], vem um estudo de uma topologia incomum em reatores de fluorescentes, o inversor não ressonante de chave única. E novamente da UFSM [20], um trabalho sobre reator eletrîonico auto-oscilante “valley-fill” com correção do fator de crista utilizando modulação em frequência.

Além do texto da Philips [1], abordado no início deste artigo, há outras publicações que referem-se aos princípios dos reatores eletrônicos. Da Advance Transformer Co. [33], temos o “Fluorescent Ballast Basics”. Do Sci Electronics Repair FAQ [34], vem um extenso artigo de Samuel Goldwasser, sobre lâmpadas fluorescentes, reatores e configurações.

Outra nota de aplicação da On Semiconductor, a AND8006-D, [35], um tanto desatualizada, mostra um starter eletrônico, que utiliza um componente muito semelhante ao diac, mas com tensões de disparo mais elevadas. O datasheet daquele componente está em [36]. Seria interessante, como experiência, projetar um starter eletrônico com diacs, nos mesmos moldes deste circuito.

E a ST Microelectronics produz um kit de desenvolvimento para novos reatores eletrônicos, com ênfase no formato T5 de lâmpadas fluorescentes. A nota de aplicação AN2892 [15] aborda o reator e as notas [37] e [38] tratam da placa de demonstração L6585DE. A placa está à venda no Farnell, no exterior [39].

Estas novas lâmpadas já tem trabalhos de estudantes brasileiros, como o proveniente da PUC-RS [40], que aborda um reator para uma lâmpada T5 de 28W, com preaquecimento.

Por último, um excelente trabalho, na nossa língua irmã (espanhol), proveniente do banco de teses da Universidad de Las Américas Puebla (UDLAP)  [41], feito por Dario Alberto Martínez Victoria, que mostra a análise, o projeto e a implementação de um reator (balastro) eletrônico para lâmpada fluorescente de 15W, utilizando um transistor para comutação e um 555 como oscilador.   O circuito pode ser um pouco complexo para uso comercial, mas o trabalho é muito bem detalhado, vale a pena ver.  Esta universidade, inclusive, tem vários outros trabalhos interessantes.

Notas Finais

Como prometido, aqui está o arquivo em pdf, em qualidade gráfica melhor, dos reatores estudados:

Reatores-TODOS

O entendimento do princípio de funcionamento destes dispositivos abre caminho para a compreensão de boa parte das fontes chaveadas atuais, nas mais diversas aplicações.

Os reatores aqui mostrados dão uma ideia da vasta aplicabilidade do circuito auto-oscilante. Pequenas alterações poderiam viabilizar a criação de reatores para LEDs, ligados à rede elétrica. É um campo para ser estudado, inclusive a adaptação dos reatores de fluorescentes para uso com LEDs.

Por outro lado, a manutenção de reatores eletrônicos é possível, desde que não tenham sofrido muito estresse. Há condições, também, de adaptar os reatores duplos para potências mais baixas, retirando os componentes destinados a uma das lâmpadas. Nos diagramas, são mostradas as diferenças entre reatores de mesmo modelo, para uma e duas fluorescentes.

Faltou, neste texto, aprofundar o estudo sobre as lâmpadas fluorescentes, especialmente os novos modelos T5 e as compactas. Pretendo, futuramente, publicar um comparativo entre os diversos tipos de iluminação, incluindo as incandescentes e os LEDs e propondo cálculos para auxiliar a decisão sobre as melhores opções em eficiência energética.

A propaganda a favor das fluorescentes é grande, mas devem ser pesados cuidadosamente os faspectos favoráveis e desfavoráveis, para decidir o que é melhor. Em diversos casos, as incandescentes ainda levam vantagem. Em outros, os LEDs começam a despontar.

Referências

[1] Scribd – Philips – Power Semiconductors Applications – http://pt.scribd.com/doc/22238961/Power-Semiconductor-Applications-Philips-Semiconductors

[2] Philips – Perguntas e respostas, com informações básicas sobre reatores eletrônicos, fator de potência e lâmpadas – http://www.lighting.philips.com.br/connect/support/faq_reatores.wpd

[3] Wikipedia – formatos de lâmpadas fluorescentes (em inglês) – http://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescent-lamp_formats

[4] UNICAMP – Fator de potência e distorção harmônica de LFC – http://sistemas.ib.unicamp.br/be310/index.php/be310/article/viewFile/153/109

[5] UFSC – CBQEE VIII 2009 – Lâmpadas fluorescentes e as distorções harmônicas – http://www.labplan.ufsc.br/congressos/CBQEE_VIII_2009/web/docs/033.pdf

[6] UNB – Avaliação de desempenho de reator eletronico para fluorescentes tubulares – http://www.gsep.ene.unb.br/producao/marco/Dissertacao_PauloAndre.pdf

[7] ON Semiconductor – Power Correction Fator (PFC) Handbook – http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/HBD853-D.PDF

[8] ON Semiconductor – Electronic Lamp Ballast Design – http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN1543-D.PDF

[9] Reator eletrônico auto-oscilante dimerizável – http://www.inicepg.univap.br/cd/INIC_2009/anais/arquivos/0784_0356_01.pdf

[10] Reator eletrônico auto-oscilante com controle de intensidade luminosa – http://www.scielo.br/pdf/ca/v14n2/a05v14n2.pdf

[11] Reatores eletrônicos dimerizáveis para lâmpadas fluorescentes com elevado fator de potência – https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/91076?show=full

[12] IR – International Rectifier – AN-1038 – Low Voltage DC Supply Dimmable Ballast for 1x36W T8 Lamp – http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1038.pdf

[13] IR – International Rectifier – AN-998 – Fluorescent Ballast Design Using PFC and Crest Factor Control – http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-998.pdf

[14] IR – International Rectifier – AN-1157 – CFL Ballast Design Using Passive PFC and Crest Factor Control – http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1157.pdf

[15] ST Microelectronics – AN2982 Application note – 1x54W Fluorescent Lamp Ballast in Wide Input Voltage Range – http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/application_note/CD00233604.pdf

[16] SBA – Controle e automação – Reator eletrônico de baixo custo e alto fator de potência – http://www.fee.unicamp.br/revista_sba/vol9/v9a199.pdf

[17] UFSM – Reator eletrônico auto-oscilante com alto Fp para alimentação de quatro lâmpadas fluorescentes independentes – http://www.scielo.br/pdf/ca/v16n3/a09v16n3.pdf

[18] USFM – Desenvolvimento de metodologia do projeto do reator eletrônico auto-oscilante com entrada universal – http://cascavel.cpd.ufsm.br/tede/tde_busca/arquivo.php?codArquivo=2992

[19] UFJF – Reatores Eletrônicos baseados numa topologia de inversor não ressonante de chave única: Aplicação em iluminação fluorescente tubular – http://www.ufjf.br/nimo/files/2008/10/TFC-Pedro_Almeida_versao-final2.pdf

[20] UFSM – Reator eletrônico auto-oscilante “valley-fill” com correção do fator de crista utilizando modulação em freqüência – http://www.scielo.br/pdf/ca/v16n2/a11v16n2.pdf

[21] Kripton2035 – Theory of ESR Meters, Analog ESR Meters, Digital ESR Meters – Vasto material sobre ESR – http://kripton2035.free.fr/esr-repository.html

[22] Blog de Fernando Machado – Medidor de ESR e capacímetro – http://medidordeesr.wordpress.com/

[23] Jednoduchý – ESR Meter – http://amarokcz.wz.cz/ESR.htm

[24] Bulbs.com – Lâmpada germicida – http://www.bulbs.com/espec.aspx?ID=16293

[25] Made in China – Germicidal Lamps – http://image.made-in-china.com/2f0j00jBftRLIdZioF/Quartz-UV-Germicidal-Lamp-Special-Shape-.jpg

[26] Healthy Home Filter Co. – Thinking Beyond Filters with UV Light – http://healthyhomefilterco.wordpress.com/category/uv-lights/

[27] Philips – Folheto técnico de lâmpada germicida 36W – http://download.p4c.philips.com/l4b/9/928048604003_na/928048604003_na_pss_aen.pdf

[28] Dermatologia.net – Radiação Ultravioleta (UV) – http://www.dermatologia.net/novo/base/radiacaouv.shtml

[29] Fê Guedes – Saiba como proteger sua pele contra os danos dos raios solares e infravermelhos – http://feguedes.wordpress.com/2011/11/27/saiba-como-proteger-sua-pele-contra-os-danos-dos-raios-solares-e-infravermelhos/

[30] UV Solutions – About UV-C – http://www.uvsolutions-indy.com/ultravioletfacts.html

[31] EDN Network – HID lighting – Technology fundamentals – http://www.edn.com/design/power-management/4363767/HID-lighting-technology-fundamentals

[32] Scientific American – Can Compact Fluorescent Lightbulbs Damage Skin? – http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=can-compact-fluorescent-lightbulbs-damage-skin

[33] Advance Tranformer Co. – Fluorescent Ballast Basics – http://www.dianyuan.com/bbs/u/24/1103007014.pdf

[34] SAM Repair FAQ – Fluorescent Lamps Basics – http://www.lightingassociates.org/i/u/2127806/f/tech_sheets/Fluorescent_Lamps_Basics.pdf

[35] On Semiconductors – Appplication Note AND8006 – Starter eletrônico – http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AND8006-D.PDF

[36] Alldatasheet – Diodo para o starter eletrônico da App note AND8006 – http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/5626/MOTOROLA/SA170A.html

[37] ST Microelectronics – Demonstration board for L6585DE combo IC for PFC and ballast control – http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/data_brief/CD00226248.pdf

[38] ST Microelectronics – Demonstration board for L6585DE combo IC for PFC and ballast control – com arquivos da placa – http://www.st.com/web/catalog/tools/FM116/SC1081/PF219298

[39] – Farnell Newark – placa ST Microelectronis STEVAL-ILB005v2 – http://www.newark.com/stmicroelectronics/steval-ilb005v2/l6585de-lighting-pfc-ballast-ctrl/dp/09R5895

[40] PUC-RS – Reator eletrônico multifrequências para 1 lâmpada 28W T5, com pré-aquecimento – http://www.feng.pucrs.br/~fdosreis/ftp/publicacoes/Conferencias/Cobep/Cobep2005/Finais/Multifrequeny_Cobep_Vff.pdf

[41] UDLAP – Universidad de Las Américas Puebla – Colección de Tesis Digitales – Balastro Electrónico Mono-etapa – http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/martinez_v_da/

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