PROCESSO DE RECONHECIMENTO DE LÂMPADAS FLUORESCENTES BASEADO NA IMPEDÂNCIA INCREMENTAL

RICARDO N. MARCHESAN, ÁLYSSON R. SEIDEL, JOSÉ M. ALONSO*, MARCELO F. DA SILVA

Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) - CTISM - GSEC

*Universidad de Oviedo, DIEECS - Tecnología Eletrónica - ESPANHA

Av. Roraima, N. 1000, Prédio 5 - Bairro Camobi, Santa Maria - RS - 97105-900 - BR

Emails: ricardomarchesan.ctism@gmail.com, seidel@ctism.ufsm.br, marcos@uniovi.es, marcelo.ctism@gmail.com

Abstract Different works in the technical literature have presented different fluorescent lamp detection methods based on the

lamp static characteristics, such as lamp voltage and filament resistance. In the present work an alternative detection method is

introduced, based on the lamp dynamic characteristics, named incremental impedance. The incremental impedance phase angle is

used as the system main detection variable for different lamps. Therefore, a study of the relationship between the phase angle and

perturbation frequency was carried out. A difference between the phase shift values for different lamps was observed. This dif-

ference reduces the problems with value overlapping, which is present in other detection methods.

Keywords incremental impedance, fluorescent lamp detection, electronic ballast

Resumo Diferentes trabalhos na literatura apresentam o reconhecimento de lâmpadas fluorescentes por meio das suas caracte-

rísticas estáticas, como tensão na lâmpada e resistência dos filamentos. Neste trabalho é apresentado uma alternativa de reconhe-

cimento de lâmpadas fluorescentes por suas características dinâmicas, chamada impedância incremental. A defasagem angular da

impedância incremental é utilizada como variável de detecção do sistema para a identificação de diferentes lâmpadas. Desta for-

ma, realizou-se um estudo sobre a relação entre a defasagem angular e a frequência de perturbação. Percebeu-se um distancia-

mento de valores entre diferentes lâmpadas. Este distanciamento evita o problema de sobreposição enfrentado por outros meios

de reconhecimento de lâmpadas.

Palavras-chave impedância incremental, reconhecimento de lâmpadas fluorescentes, reator eletrônico

1 Introdução

O reconhecimento automático de lâmpadas fluo-

rescentes (LFs) representa uma alternativa para a

redução do estoque de reatores eletrônicos e suas

respectivas LFs, principalmente em âmbito industri-

al. A flexibilidade de uso de um reator capaz de re-

conhecer diferentes LFs possibilita utilizar um único

modelo em grandes quantidades. Desta forma, o

objetivo central deste trabalho é o desenvolvimento

de um método de reconhecimento de LFs para em-

prego em reatores automáticos.

A metodologia de identificação das LFs consiste

em adquirir o valor de uma ou mais variáveis da

mesma como, por exemplo, a resistência dos fila-

mentos de uma LF desconhecida ligada a um circuito

com respostas conhecidas. Este valor de resistência é

comparado com um conjunto de valores tabelados

para diversas lâmpadas, comparando o valor da vari-

ável obtida com relação a uma lâmpada específica.

Em Lee et al (2005) a tensão sobre a LF é utili-

zada para identificar outros modelos de lâmpadas da

família T8 e T12, com diferentes potências nominais.

Em Naravatana (2008) o autor utiliza a frequência de

comutação como variável de controle e como variá-

vel de identificação para lâmpadas T8. Estes métodos

utilizam apenas uma variável de comparação. Já em

Jia et al (2012) é apresentado um método para identi-

ficar LFs das famílias T8 e T5 sem ignição. Este

método utiliza a variação da frequência durante o

intervalo de pré-aquecimento, além de obter a resis-

tência dos filamentos da lâmpada no mesmo interva-

lo de tempo. A proximidade dos valores de resistên-

cia dos filamentos das lâmpadas diminui a precisão e

a confiabilidade do método, o que torna difícil identi-

ficar diferentes LFs.

Os autores em Lee et al (2009) apresentam da-

dos de diversas lâmpadas, mostrando a impossibili-

dade do reconhecimento de uma variedade de LFs

baseado somente em uma variável. Neste contexto,

os autores propõem utilizar a resistência dos filamen-

tos, após o pré-aquecimento, juntamente com a ten-

são RMS da LF, possibilitando assim identificar uma

ampla variedade de lâmpadas das famílias T5, T8 e

T12.

Embora existam trabalhos relacionados a este

assunto na literatura técnica, não existe uma metodo-

logia para o reconhecimento de LFs através de suas

características dinâmicas. Com isso, uma metodolo-

gia de reconhecimento de lâmpadas através da impe-

dância incremental (Zi), ou resposta de pequenos

sinais, será avaliada neste trabalho.

A seção 2 apresenta a metodologia desenvolvida

para a aquisição de dados e identificação de diferen-

tes LFs. A seção 3 apresenta os resultados experi-

mentais. A seção 4 apresenta a conclusão do traba-

lho.

2 Metodologia de Identificação

Nesta seção é apresentado o processo de medida

da impedância incremental, bem como o circuito

simplificado utilizado para realizar tal medida.

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

3083

2.1 Teoria de Identificação

O processo de reconhecimento através da Zi, ca-

racteriza-se pelas seguintes etapas: ignição da LF,

geração de perturbação e leitura da resposta à pertur-

bação.

Deng (1997) define que Zi é a razão entre os pe-

quenos sinais de perturbação que modulam a tensão e

corrente de descarga, respectivamente. Matematica-

mente, Zi é definido por (1).

mmi

i

vjZ

ˆ

ˆ)( (1)

Onde:

v - amplitude da tensão de perturbação;

i - amplitude da corrente de perturbação;

m - defasagem angular entre v e i .

Estas grandezas são ilustradas na Figura 1. Esta

figura apresenta uma ilustração da forma de onda de

tensão e corrente da descarga de uma LF.

Figura 1 - Representação das características da impedância

incremental.

Existem diferentes modelos de Zi na literatura,

como apresentados em (Diaz et al, 2009) e (Alonso

et al, 2007). Como descrito em (Deng, 1997), uma

função de transferência bilinear é capaz de represen-

tar satisfatoriamente, na maioria dos casos, as carac-

terísticas da lâmpada.

O gráfico da Figura 2 ilustra a função bilinear

representativa do modelo de Zi. Neste gráfico, a

distância entre a origem e um ponto na curva repre-

senta a magnitude da impedância para uma determi-

nada frequência de perturbação. Gráficos similares

são encontrados em (Ribas et al, 2001), (Herrick,

1980), (Diaz et al, 2009) entre outros.

A defasagem angular entre tensão e corrente da

descarga em baixa frequência é a principal caracterís-

tica observada da Zi, ilustrada na Figura 1. Esta ca-

racterística é utilizada, neste trabalho, como variável

de detecção da LF.

Figura 2 - "Um gráfico típico da impedância incremental

Zi(s) no plano complexo" Adaptado de: (Deng, 1997:p.3).

2.1.1 Geração de Perturbação

A perturbação é gerada a partir da modulação

por amplitude (AM) do sinal de tensão da descarga.

Parte da resposta a essa perturbação corresponde a

defasagem angular entre a tensão e a corrente da

descarga. A Figura 1 ilustra a defasagem angular, e a

Figura 3 apresenta as formas de onda da tensão e da

corrente de descarga para uma LF PHILIPS T5HO

de 39W.

O ângulo de defasagem é dependente da fre-

quência de modulação, como apresentado em (Deng,

1997), (Herrick, 1980), (Diaz et al, 2009) entre ou-

tros.Desta forma, um estudo sobre a relação entre

frequência de modulação e defasagem angular, para

diferentes lâmpadas, é apresentado na Seção de Re-

sultados Experimentais.

Figura 3 - Formas de onda (40 µs/div) de tensão (azul, 100

V/div) e corrente (verde, 100 mA/div) de descarga para LF

T5HO 39W, com modulação AM em 10 kHz.

O circuito da Figura 4 foi utilizado para acionar

as LFs testadas. O reator eletrônico é composto por

um estágio de potência e um estágio de controle. O

estágio de potência é constituído por um filtro resso-

nante acoplado à um inversor meia ponte. O estágio

de controle é constituído por um driver isolado, um

microcontrolador e circuitos auxiliares discretos.

Devido à configuração do circuito, a modulação

AM é obtida por uma modulação por frequência

(FM). A modulação FM é aplicada nos interruptores

S1 e S2.

A variação da frequência de comutação faz com

que o filtro ressonante opere com diferentes ganhos

de tensão, gerando a oscilação de amplitude desejada

na carga.

A amplitude de variação da frequência de comu-

tação (Δfs) é diretamente proporcional à amplitude da

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3084

modulação AM. A relação exata é dada pela curva de

ganho do filtro ressonante. Entretanto, esta relação é

difícil de ser obtida, uma vez que a curva de ganho

do filtro é uma função da resistência equivalente da

LF, e esta varia entre diferentes modelos.

Figura 4 - Circuito simplificado do reator utilizado.

2.1.2 Leitura de Resposta à Perturbação

A leitura da resposta à perturbação é dada pela

medição de ɸm. Esta medição pode ser realizada de

forma manual ou de forma automatizada. A forma

manual envolve o cálculo do ângulo baseado na

Figura 3. A forma automatizada envolve o emprego

de dispositivos programáveis.

O emprego de dispositivos programáveis é justi-

ficado pelo nível de complexidade dos sinais a serem

medidos, juntamente com a flexibilidade inerente

com o uso deste dispositivo.

A tensão de descarga, VD, e a corrente de des-

carga, ID, foram medidas nos pontos especificados na

Figura 4.

3 Resultados Experimentais

3.1 Caracterização das Lâmpadas

Foram testadas 3 lâmpadas da família T5 HO e 3

lâmpadas T8, para 7 diferentes frequências de modu-

lação (0.5, 1, 2, 3, 4, 5 e 10 kHz). O valor de Δfs

determina a amplitude da perturbação. Como a per-

turbação deve excitar a característica de pequenos

sinais da descarga, o valor de Δfs foi determinado por

volta de 5% da frequência de portadora.

As medidas de defasagem e tensão foram reali-

zadas de forma manual, a partir da Figura 3. Esta

figura apresenta a tela do osciloscópio utilizado, com

a característica de persistência ativada. Esta caracte-

rística possibilita a sobreposição de várias formas de

onda na frequência portadora. Esta sobreposição

permite uma reconstrução mais precisa da forma de

onda envoltória.

Dois testes foram realizados, com tensão de bar-

ramento (Vbus) constante a 300 V, e com a potência

da LF constante em 32 W. Os dados foram adquiri-

dos após a estabilização da LF, ou seja, em regime

permanente. Os parâmetros escolhidos para os testes,

tensão constante e potência constante, certificam que

as LFs testadas não operem acima da potência nomi-

nal.

3.1.1 Protótipo Desenvolvido

A Tabela 1 apresenta os componentes utilizados

no protótipo, bem como as definições de projeto e

modulação. Um circuito baseado na Figura 4 foi

desenvolvido. O oscilador RC do IC IR2153 foi

substituído por um circuito auxiliar capaz de gerar

sinais de gate, nos interruptores do inversor, simétri-

cos e modulados em FM. Um gerador de funções foi

utilizado.

Tabela 1 - Componentes e parâmetros utilizados

Componentes

Cbus 160uF

Capacitor Série Filtro LCC 22 nF

Interruptores Inversor IRF 820

Indutor Série Filtro LCC 3,49 mH

Capacitor Paralelo Filtro LCC 8,2 nF

Driver IR2153

Parâmetros

Frequência Portadora (fp) 36 kHz

Desvio de Frequência (Δfs) 1,5 kHz

Potência de descarga 32 W

Equipamentos Utilizados

Ponteira Diferencial

de tensão

Tektronix P5200

Ponteira de Corrente Tektronix TCP312 +

TCPA300

Osciloscópio Tektronix DPO2014

Gerador de Funções RIGOL DG1022

3.1.2 Tensão de Barramento Constante

O gráfico da Figura 5 apresenta os dados das

LFs adquiridos com tensão de barramento constante

em 300 V. Este valor foi escolhido seguindo traba-

lhos já publicados para as lâmpadas T5 (Lopes et al,

2012). Este teste visa a determinar o comportamento

de ɸm para diferentes valores de fmod.

Algumas curvas da Figura 5 apresentam uma ca-

racterística decrescente para fmod acima de 1 kHz,

entretanto, todas apresentam esta característica a

partir de 2 kHz. Esta característica pode ser observa-

da em (Herrick, 1980), (Ribas et al, 2000), (Deng,

1997).

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Figura 5 - Defasagem angular para LF com tensão de barramento constante em 300 V.

Figura 6 - Defasagem angular para LF com potência constante em 32 W.

Figura 7 - Tensão de barramento para LF com potência constante em 32 W.

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T5HO39W/840

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Ao analisar a parcela de 0.5 a 3 kHz, detalhada

na Figura 8, nota-se que as LFs T5 apresentam uma

defasagem mais elevada em comparação as LFs T8,

para a mesma frequência. As LFs apresentam, ainda,

diferentes curvas características. Existem pontos de

sobreposição (por exemplo, ponto P1 e P2), os quais

inviabilizam o processo de reconhecimento com

apenas uma aquisição.

Um exemplo é a sobre posição das LFs T5HO de

39 e 54 W em 2kHz (Figura 8). Para diferentes valo-

res de fmod, como 0,5 e 1 kHz, as curvas apresentam

valores diferentes, possibilitando o reconhecimento

destas lâmpadas.

Com isso, a determinação de ɸm para três valores

diferentes de fmod é proposta, juntamente com uma

análise da variação de ɸm entre estes valores. As LFs

podem ser diferenciadas pela utilização de um algo-

ritmo de separação por lógica fuzzy similar ao utili-

zado por Lee et al (2009), ou por uma função peso,

utilizada por Naravatana (2008).

3.1.3 Potência na LF Constante

O gráfico da Figura 6 apresenta os dados das

LFs adquiridos com uma potência constante em 32

W. O gráfico da Figura 7 apresenta os valores para

Vbus ao longo da faixa de modulação.

Diferentemente do teste com tensão constante,

este teste visa estudar o comportamento da Zi em

relação à frequência de modulação quando um corre-

tor de fator de potência (CFP) com característica de

fonte de potência é empregado. O emprego de um

CFP é justificado pelas normas de qualidade de ener-

gia vigentes, que limitam o espectro de harmônicos

injetados na rede por dispositivos eletrônicos.

A variação da impedância total da LF influencia

no valor de Vbus necessário para a manutenção da

potência. Neste contexto, o valor de Vbus também

pode ser utilizado para o reconhecimento de LFs.

Os valores do gráfico da Figura 9 também apre-

sentam sobreposições em algumas frequências. Neste

caso, a mesma metodologia apresentada no teste de

Tensão de Barramento Constante pode ser emprega-

da nestes dados.

Figura 8 - Detalhamento de medidas de defasagem para ten-

são de barramento constante.

Figura 9 - Detalhamento de medidas de defasagem para

potência constante.

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Figura 10 - Detalhamento de Vbus para potência constante.

3.2 Protótipo de Medição Automático

3.2.1 Constituição do Protótipo

O método de reconhecimento é verificado pelo

desenvolvimento de um protótipo capaz de realizar a

medida de ɸm.

O circuito de potência do protótipo é similar ao

da Figura 4, composto de um inversor meia-ponte

alimentado por uma fonte CC constante, e um filtro

LCC conectado à lâmpada. Os valores dos compo-

nentes são os descritos na Tabela 1. O circuito de

driver dos interruptores é implementado utilizando o

CI L6348D. O MCU gera os sinais de comando dos

interruptores e é responsável pela modulação.

O processo de medição de ɸm é realizado pelo

MCU, por meio de medição e processamento da

tensão e corrente da LF. A tensão da LF é medida

por meio de um divisor resistivo enquanto a corrente

de descarga é medida por um transformador de cor-

rente.

Os valores de fmod escolhidos para este teste fo-

ram de 0.5, 1 e 2 kHz, pois os valores de ɸm apresen-

tam maior diferença nesta faixa de modulação.

3.2.2 Resultados do Protótipo

Os valores de ɸm medidos pelo protótipo para o

teste de tensão de barramento constante são apresen-

tados em Figura 12. Estes pontos representam o valor

de ɸm para as LFs operando em regime permanente,

ou seja, com sua temperatura estabilizada. Durante as

medições, as LFs apresentaram uma variação na

medida de ɸm entre lâmpada fria e quente.

As curvas da Figura 12 apresentam sobreposi-

ções em diversos pontos. Entretanto, somente as LFs

OSRAM FO 32W T8 e OSRAM LUMILUX 36W

T8 apresentam valores de ɸm próximos e curvas com

mesma tendência.

A Figura 11 apresenta uma foto do protótipo de-

senvolvido. A placa de avaliação EK-TM4C123GXL

é utilizada neste protótipo.

Figura 11 - Foto do protótipo de medição automático.

4 Conclusão

Os dados apresentados mostram a viabilidade de

identificação de LFs a partir das características di-

nâmicas. Estes dados apresentam menor influencia

da sobreposição de valores entre LFs em comparação

com outros métodos de reconhecimento.

O protótipo apresentou resultados satisfatórios,

apresentando diferenças entre as curvas de diferentes

LFs. Desta forma, os resultados do protótipo confir-

mam a metodologia proposta.

Trabalhos futuros incluem testes com uma fonte

de potência, bem como testes com um maior número

de lâmpadas. Trabalhos aplicando diferentes métodos

de redução do fluxo luminoso também podem ser

desenvolvidos.

Agradecimentos

Este trabalho foi financiado pelos governos Bra-

sileiro e Espanhol por médio das seguintes ajudas de

pesquisa: CEEE-D, CNPq, CAPES/DGU 249-11 e

DGPU PHB2010-0145.

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T8 FO 36W T8 FO 58W

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Figura 12 - Valores experimentais de ɸm obtidos com o protótipo de medição automático.

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OSRAM LUMILUX 58W T8

OSRAM LUMILUX 49W TL5 HO

OSRAM LUMILUX 39W TL5 HO

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PHILIPS MASTER 54W TL5 HO

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