Uma análise do efeito estroboscópico com lâmpadas LED

O efeito estroboscópico causado pela cintilação de uma fonte de luz é conhecido e, sob certas circunstâncias, pode provocar acidentes em máquinas rotativas. O artigo analisa a possibilidade de ocorrência desse efeito com lâmpadas LED.


Stefan Fassbinder, do Instituto Alemão do Cobre (Düsseldortf)

Data: 24/05/2017

Edição: LUX Abril 2017 - Ano 2 - No 5

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Inicialmente deve ser considerado que o efeito estroboscópico com lâmpadas fluorescentes só preocupa quando são utilizados reatores idutivos/magnéticos. Lâmpadas LED, porém, são quase sempre providas de fontes eletrônicas. Que diferença isso faz? Alguns profissionais estão em dúvida.

O efeito estroboscópico

Afinal, de que se trata? Provavelmente esse efeito seja conhecido dos filmes Western na televisão, nos quais a velocidade de rotação das rodas das carruagens, dividida pelo número de raios das rodas, coincide com a frequência de projeção de imagens (quadros por segundo) do filme. Neste caso, na próxima imagem, o próximo raio estará exatamente na mesma posição em que estava, na imagem anterior, o raio imediatamente anterior, de modo que a roda dá a impressão de estar parada. Se a velocidade 56 for ligeiramente mais alta, as rodas aparentam estar girando muito lentamente. E se a velocidade for um pouco mais baixa, tem-se a impressão de que as rodas giram lentamente para trás.

O mesmo pode acontecer quando, na operação de uma máquina girante de alta velocidade, é utilizada uma lâmpada cuja luz se apaga no instante da passagem da corrente da rede por zero. Ao menos na teoria, uma máquina girante rápida pode então parecer parada e assim causar acidentes.

Naturalmente, o efeito estroboscópico também pode ser utilizado para que processos rápidos possam ser observados como se lentos fossem, ou com imagens congeladas. Outra aplicação desse efeito é a sincronização de velocidades. Talvez o exemplo mais conhecido seja o dos antigos toca-discos, que às vezes eram providos de um disco estroboscópico e de uma lâmpada neon como fonte de luz estroboscópica, com o objetivo de sincronizar a velocidade de rotação com a frequência da rede, e mantê-las exatamente síncronas.

O efeito estroboscópico com lâmpadas LED

Exatamente esse efeito diferencia as lâmpadas LED de outras fontes de luz. O LED é instantaneamente livre de radiação luminosa (fluorescência) após o desligamento – apesar de o LED constituir também, em última análise, uma lâmpada fluorescente [3]. Caso contrário não se poderia explicar que a luz de LED, em tese e em demonstrações, se deixa superpor por sinais de alta frequência (WLAN óptico, por assim dizer [4]).

Das características do LED destacam-se dois aspectos:

O primeiro aspecto significa, para operação em corrente contínua não alisada suprida por uma ponte retificadora, que a duração do fluxo de corrente em cada meio período se concentra apenas no trecho imediatamente próximo da crista do pulso de tensão (figura 1 – gráfico obtido por cálculo). Uma compensação por aquecimento nesse breve intervalo de tempo não se verifica. Considerando-se, porém, o valor médio da corrente e concedendo o tempo devido para que o LED se aqueça, a corrente cairia praticamente a zero (figura 2) – assumindo-se que o aquecimento de fato ocorresse. Na realidade, se estabeleceria um ponto de operação entre os gráficos das figuras 1 e 2.

Elevando-se a tensão alternada antes do retificador de 2,55 V para apenas 3,00 V (sem considerar a perdas no retificador) resulta uma curva de corrente conforme figura 3 – em princípio, a mesma de antes. O resistor (opcional) representado na figura 4 é, a rigor, indispensável, a menos que a fonte de alimentação (um pequeno transformador) tenha suficiente resistência interna para assumir esse papel.

Como a corrente do LED se prolonga por mais da metade do período até cessar completamente, e, como foi dito, não se observa fluorescência após o desligamento, a operação de LEDs com pontes retificadoras totalmente sem alisamento está sujeita a intenso efeito estroboscópico.

Influência do alisamento

No entanto, a operação de LEDs nessas condições não é usual; quando muito ela pode ser encontrada na iluminação natalina. Devido às pausas acentuadas, a cintilação das lampadazinhas decorativas é visível, apesar da frequência relativamente alta de 100 Hz – e não contribui exatamente para o efeito “decorativo”. Mais visível ainda era a cintilação dessas lampadazinhas de natal quando se utilizavam simplesmente retificadores de meia onda, com metade das lâmpadas ligadas a um meio período da tensão alternada, e a outra metade, ao outro. Mas esses pecados dos primeiros tempos parecem ter desaparecido do mercado.

Um capacitor de alisamento (figura 4), ainda que muitas vezes subdimensionado, costuma ser utilizado. Mas um mercado de competição acirrada e de miniaturização, onde cada centavo e cada milímetro cúbico contam, produz às vezes frutos esquisitos. A figura 5 mostra a situação desejável. A corrente do LED, aqui assumida como constante, aproxima-se bem da realidade; para isso existe o resistor, que, como já foi comentado, quase nunca pode faltar.

Já a figura 6 ilustra o caso, infelizmente, mais comum: fazer economia na capacitância de alisamento provoca fortes oscilações no fluxo da corrente. Os transitórios de alta frequência adicionais da corrente têm origem na ressonância entre o capacitor de alisamento e as indutâncias do circuito. Nessa figura é possível contar dez oscilações num intervalo de 3 ms; portanto, a frequência é de 3000 Hz e a cintilação do LED está excluída. Todavia, outras perturbações de compatibilidade eletromagnética não podem ser descartadas.

Influência da frequência pulsante

É por essa razão que a maioria das lâmpadas LED são operadas com corrente contínua pulsante: por meio da frequência dos períodos de energização e de pausa, a potência do LED é regulada e mantida constante, ou, conforme o caso, o LED pode ser assim dimerizado. Utilizam-se métodos básicos para alisar novamente a corrente após o corte, mas não é esta a regra – apesar de que a operação pulsante prejudica em certa medida o rendimento luminoso do LED: o valor eficaz da corrente pulsante responsável pelo aquecimento na resistência ôhmica do LED é maior do que o valor médio aritmético que determina a produção de luz. Em comparação, com corrente contínua alisada esses dois valores são idênticos [5].

Contudo, não é só por esse motivo que a operação das lâmpadas LED seria mais favorável com corrente contínua ao menos parcialmente alisada. “Constatamos isso no laboratório diariamente”, dizem os experts [6]. “A modulação de largura de pulso não é aplicada apenas para dimerização, mas também para operação normal de lâmpadas não dimerizáveis. Em baixas frequências pulsantes existe o risco de cintilação. Por isso, a maioria dos fabricantes operam seus produtos com frequências acima da faixa de 100 Hz, tipicamente acima de 250 Hz. Este é o estado da técnica. No entanto, isso pode de fato causar problemas, em geral na forma de cintilação em caso de filmagem e fotografia”.

Quando ocorrem tais problemas, trata-se geralmente de interferências, como a superposição de duas frequências. A combinação resultante dessa superposição contém não somente as duas frequências, mas igualmente a soma e a diferença de ambas. A figura 7 já indica esse fato, que na figura 8 torna-se claro: se na figura 4 o capacitor de alisamento for removido e o resistor for substituído por um transistor com função de chaveamento, acionado por um sinal de onda quadrada de 105 Hz, a corrente do LED será modulada por uma variação periódica de 5 Hz – e está pronto o flicker! Superposições similares podem ocorrer com a frequência de imagens de uma câmera de filmagem.

Essas considerações ilustram quão importante é a observação da frequência pulsante. Quanto mais alta ela for, menor é a probabilidade da ocorrência de problemas. Melhor ainda é um generoso dimensionamento da capacitância de alisamento. E o ideal é cuidar de ambos esses fatores.

Conclusão

Examinar uma lâmpada LED quanto à tendência ao efeito estroboscópico, ou mesmo a outras perturbações causadas por fluxo de corrente instável, é simplesmente impossível. Se o preço baixo do produto chama a atenção, recomenda-se cautela; entretanto, nem tudo que custa relativamente pouco é necessariamente ruim. Por outro lado, preço alto não é garantia de qualidade.

Em geral pode-se pressupor que os fabricantes não apenas conhecem as correlações aqui apresentadas, mas também as considerem no dimensionamento do controle eletrônico de seus diodos luminosos.

Tratando-se de luminárias com eletrônica integrada, deve-se esperar que o capacitor de alisamento seja normalmente suficiente. Em alternativa, o fabricante pode prever um controle eletrônico bastante dispendioso, capaz de compensar a significativa ondulação remanescente da corrente contínua, causada pela insuficiência de capacitância de alisamento, jogando com a frequência pulsante.

Em simples cordões de iluminação decorativa, providos de fonte de alimentação plugável, pode-se geralmente deduzir pela aparência e massa da fonte se ali se encontra embutido um transformador tradicional. Não se deve nesses casos contar com um capacitor de alisamento generoso – que às vezes nem existe –, e que elimine suficientemente a ondulação restante. Uma cintilação mais ou menos intensa de 100 Hz deve ser esperada.

É bem verdade que nessas pequenas fontes de alimentação só se encontram ainda reatores eletrônicos correspondentemente leves e compactos, e que um capacitor de alisamento saturado aumentaria muito o volume do componente e teria custos adicionais – tanto quanto uma eletrônica sofisticada. Portanto, também neste caso é frequentemente observável uma cintilação de 100 Hz. Se ela é percebida como uma perturbação ou não, depende de cada caso e é uma questão de gosto. Nas lâmpadas LED comuns para interior e exterior, isso praticamente não deve acontecer.

Uma exceção são as lâmpadas dimerizadas. Ainda que a lâmpada seja considerada dimerizável e o dimmer seja adequado para LED, o funcionamento perfeito está longe de ser garantido. Nem todo dimmer funciona bem com qualquer lâmpada LED, mas também pode dar certo. Aqui não há muito o que fazer. Até hoje, a solução infelizmente é por tentativa e erro [7,8].

Finalmente encontra-se agora uma lâmpada LED (figura 9) que pode substituir plenamente uma incandescente de 100 W, nem sequer é mais cara, deve ser dimerizável com o dimmer tradicional da lâmpada incandescente – e realmente funciona! Com exceção de uma ligeira cintilação no limite inferior da escala do dimmer.

Referências

  1. Fassbinder, S.: Im Verbund läuft es rund. Elektropraktiker, Berlin 68 (2014) 8, S. 653 f. und 9, S. 744 f.
  2. Fassbinder, S.: Der Weg zur Energiewende – Chancen und Hindernisse, Teil 1: Was sind denn Lastprofile? Elektropraktiker, Berlin 70 (2016) 1, S. 24, Bild 2.
  3. Fassbinder, S.: Grundlagen, Vorteile und Beschränkungen der LED – Teil 1: Grundlagen, Ansteuerung, allgemeine Eigenschaften. Elektropraktiker, Berlin 66 (2012) 10, S. 822 f.
  4. www.sott.net/articles/show/244434-Forget-WiFiand-Radio-Waves-LiFi-Uses-Lightbulbs-to-Connect-to-the-Internet.
  5. Kleger, R.: LED: glatter oder gepulster Gleichstrom? ET 09/2013, S. 50.
  6. Deutsches Institut für angewandte Lichttechnik, www.dial.de.
  7. Kleger, R.; Fassbinder, S.: LED dimmen – ein Erfahrungsbericht. ET 9/2013, S 43.
  8. Kleger, R.; Fassbinder, S.: Noch ein Versuch: LEDSpots dimmen. ET 2/2015, S. 36.

Artigo originalmente publicado na revista alemã “ep – Elektropraktiker”, edição 3/2016. Copyright Huss-Medien, Berlim. Publicado por LUX sob licença dos editores. Tradução e adaptação da redação de LUX.