Priscila Ertmann Bolzan - UFSM

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

Priscila Ertmann Bolzan

CIRCUITOS DE ACIONAMENTO PARA LÂMPADA LED TUBULAR UTILIZANDO CONVERSORES A CAPACITOR CHAVEADO

Santa Maria, RS 2017


CIRCUITOS DE ACIONAMENTO PARA LÂMPADA LED TUBULAR UTILIZANDO

CONVERSORES A CAPACITOR CHAVEADO

Dissertação de Mestrado apresentado ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, na Área de Concentração de Processamento de Energia, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Prof. Dr. Ricardo Nederson do Prado

Santa Maria, RS 2017

© 2017 Todos os direitos autorais reservados a Priscila Ertmann Bolzan. A reprodução de partes ou do todo deste trabalho só poderá ser feita mediante a citação da fonte. Endereço: Rua José Manhago, nº 570, Bairro Camobi, Santa Maria, RS. CEP: 97105-430. Fone (+55) 55 99694-2187; E-mail: [email protected]



Dissertação de Mestrado apresentado ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, na Área de Concentração de Processamento de Energia, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica

Aprovado em 11 de agosto de 2017:

Santa Maria, RS

2017

DEDICATÓRIA

Este trabalho é dedicado à minha família: minha mãe Rose, meu pai Ariosto e minha irmã Thaís, por me ensinarem os princípios de honestidade, respeito e bondade e

por sempre me darem suporte nos caminhos que escolhi. Agradeço, também, meu amor, Maicol Flores de Melo, pela companhia e apoio dos

últimos 5 anos, por todos os momentos e experiências compartilhadas.

AGRADECIMENTOS

Um agradecimento especial à minha família, por serem minha base todos os

dias da minha vida.

Gostaria de agradecer ao meu orientador, prof. Ricardo Nederson do Prado,

pela contribuição na minha formação em todo o período de graduação e mestrado,

por ser meu orientador nos últimos 7 anos e por ter confiado no meu trabalho e

capacidade.

Não poderia deixar de agradecer ao Grupo GEDRE, pois foi onde passei a

maior parte do tempo desde que entrei na engenharia. Lugar onde conheci e convivi

com muitas pessoas maravilhosas, agradeço desde as conversas técnicas até todas

as risadas e mates diários. Entre os integrantes do GEDRE: Maicol Melo, o sempre

incrível Paulo Cesar Luz, Renan Duarte, Dion Lenon Feil, Guilherme Gindri, Leandro

Kehler, Marcelo Cosetin, Veridiane Rosa e Leandro Mallmann.

Outro agradecimento especial vai para Igor Bertoncello Barboza, IC que

trabalhou comigo diariamente durante a dissertação e Josué Putzke pela ajuda nos

últimos meses. Espero ter ajudado vocês o tanto que me ajudaram.

Aos meus colegas e amigos, ajuda constante durante as disciplinas: Renan

Duarte, Caio Osório, Maikel Menke e Klaus Martin.

Agradeço a INTRAL S/A IND. MAT. ELÉTRICOS e ao Rafael Pedroni pela

concessão das lâmpadas tubulares para os ensaios em laboratório.

Gostaria de agradecer aos professores da Engenharia Elétrica, por todo o

conhecimento transmitido, à Universidade Federal de Santa Maria pela contribuição

na minha formação e à CAPES pelo suporte financeiro.

I don’t want to believe, I want to know.

Carl Sagan

RESUMO


AUTORA: Priscila Ertmann Bolzan ORIENTADOR: Ricardo Nederson do Prado

Este trabalho apresenta o projeto, simulação e desenvolvimento prático de

topologias utilizando capacitor chaveado para o acionamento de uma lâmpada LED

tubular. Os circuitos desenvolvidos e testados visam alimentar uma lâmpada LED

tubular com potência de 23 W. A lâmpada é composta por 96 LEDs de potência, com

corrente média de 75 mA cada. O uso de capacitor chaveado proporciona ao circuito

de acionamento tamanho e peso reduzido. Os resultados experimentais comprovam

a metodologia de projeto, uma vez que apresentam valores e características conforme

as esperadas. Dois conversores foram testados experimentalmente utilizando a

técnica de capacitor chaveado, sendo um dos conversores inédito na literatura

(originado de outros dois conversores em cascata). Os conversores foram

desenvolvidos com volume adequado para serem dispostos no interior da lâmpada e

com o cuidado para que a corrente nos LEDs estivesse dentro do limite de ondulação

da recomendação IEEE 1789-2015. Os resultados experimentais mostraram que a

corrente na saída está de acordo com a recomendação (ondulação inferior a 19,2%),

com rendimento de 80 e 87%, atendendo a norma IEC 61000-3-2 para potência

inferior a 25 W. São apresentados diversos resultados experimentais a fim de

comprovar o projeto dos conversores e o correto funcionamento de conversores com

capacitor chaveado.

Palavras-chave: Capacitor chaveado, Circuito de acionamento para LEDs, Iluminação Interior, Lâmpada Tubular, LEDs de potência.

ABSTRACT

DRIVERS TO FEED LED TUBULAR LAMP USING SWITCHED CAPACITOR CONVERTERS

AUTHOR: PRISCILA ERTMANN BOLZAN ADVISOR: RICARDO NEDERSON DO PRADO

This work presents the design, simulation and experimental development of a

topology using switched capacitor to feed a LED lamp to street lighting. The designed

and tested circuits aim to feed a LED tubular lamp with power of 23 W. The lamp is

composed by 96 power LEDs, with average current of 75 mA each. The use of

switched capacitor provides reduction of size and weight to the driver. The

experimental results prove the project methodology, once they show the expected

values and characteristics. Two converters were experimentally tested using the

switched capacitor technic, one of which is unprecedented in the literature (it comes

from other two converters in cascade). The power circuit of the converters were

projected to fit inside the lamp and to present an LEDs current ripple below the

recommended ripple limits. The experimental results show that the output current

agrees with the recommendation IEEE 1789 - 2015 (ripple under 19,2%), with

efficiency of 80 and 87%, allowing to the standard IEC 61000-3-2 for power under 25

W. Many experimental results are shown in order to verify the converters project and

the correct operation of converters based in switched capacitor.

Keywords: Switched Capacitor, Tube Lamp, LED Driver, Indoor Lighting, Power LEDs.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Evolução dos LEDs de 2000 a 2011 ......................................................... 34

Figura 2 - Lâmpada de LEDs comerciais no formato de: (a) bulbo e (b) tubo ........... 34

Figura 3 – (a) circuito de acionamento na parte de cima (horizontalmente) e (b) circuito

de acionamento em uma das estremidades do invólucro da lâmpada ...................... 35

Figura 4 – Limites da corrente de entrada conforme IEC 61000-3-2 ......................... 41

Figura 5 – Área segura de operação em relação a ondulação de corrente nos LEDs

conforme recomendação IEEE 1789-2015 ............................................................... 42

Figura 6 - Comportamento da vida útil de capacitores eletrolíticos com a variação da

tensão e da temperatura de operação. ..................................................................... 46

Figura 7 – Comparação relativa de capacitores eletrolíticos, de filme e cerâmicos .. 47

Figura 8 - Célula Valley-Fill ....................................................................................... 50

Figura 9 - DVF com 5 células .................................................................................... 50

Figura 10 - Simplificação da tensão retificada ........................................................... 51

Figura 10 - Razão cíclica dos interruptores Sv1 e Sv2 do CDVF .............................. 51

Figura 11 - Conversor derivado da célula Valley-Fill - primeira etapa ....................... 52

Figura 12 - Conversor derivado da célula Valley-Fill - segunda etapa ...................... 52

Figura 13 - Conversor básico com capacitor chaveado ............................................ 53

Figura 14 - Conversor básico com capacitor chaveado - primeira etapa de operação

.................................................................................................................................. 54

Figura 15 - Conversor básico com capacitor chaveado - segunda etapa de operação

.................................................................................................................................. 54

Figura 16 - Conversor proposto - conversor derivado da célula Valley-Fill + conversor

básico de capacitor chaveado ................................................................................... 55

Figura 17 - Conversor proposto - conversor derivado da célula Valley-Fill + conversor

básico de capacitor chaveado - reduzido .................................................................. 56

Figura 18 - Razão cíclica dos interruptores Sv1, Sv2 e Sb2 do conversor proposto . 56

Figura 19 - Conversor 2 ............................................................................................ 57

Figura 20 – Razão cíclica dos interruptores Sr1 e Sr2 do conversor 2 ..................... 58

Figura 21 - Conversor ressonante - Etapa 1 ............................................................. 58



Figura 24 - Foto da lâmpada ..................................................................................... 61

Figura 25 - Divisão dos LEDs na lâmpada ................................................................ 62

Figura 26 - Dados para a aquisição do modelo da lâmpada ..................................... 62

Figura 27 - Modelo elétrico da lâmpada LED tubular utilizada .................................. 63

Figura 29 - Análise da variação do capacitor C1 a C5 na corrente dos LEDs – CDVF

.................................................................................................................................. 65


+ CBCC .................................................................................................................... 66

Figura 31 - Análise da corrente de saída e da ondulação de corrente de saída a partir

da variação da frequência de ressonância ............................................................... 67

Figura 32 - Análise da ondulação de corrente nos LEDs e da razão cíclica de Sr1

através da variação da frequência de ressonância – com corrente nos LEDs = 450 mA

.................................................................................................................................. 68

Figura 33 - Esquemático da placa de alimentação e comando dos interruptores ..... 72

Figura 34 - Sinal de saída do CI IR2153 ................................................................... 73

Figura 35 - Sinal de saída do CI IR2153 após amplificação do transformador ......... 73

Figura 36 - Sinal de saída do CI IR2153 após amplificação do transformador e

retificação ................................................................................................................. 74

Figura 37 - Foto da placa de comando dos interruptores ......................................... 75

Figura 38 – Resultado experimental – Placa de comando – sinal de gatilho dos

interruptores Sv1, Sv2 e Sb2, respectivamente: (CH1 – 25 V/div), (CH2 – 25 V/div) e

(CH3 – 25 V/div) – 10 µs .......................................................................................... 76

Figura 39 - Foto do circuito de potência do conversor 1 ........................................... 77

Figura 40 - Placa de potência do conversor 1 - design compatível com o espaço

disponível na tubo LED ............................................................................................. 78

Figura 41 - Resultado por simulação - conversor 1 - tensão de entrada (Vin/311 - azul),

corrente de entrada (I(Lf) – ciano), tensão na lâmpada (Vo/200 - rosa) e corrente na

lâmpada (I(Io) - verde) – 3,3 ms. .............................................................................. 79

Figura 42 - Resultado experimental - conversor 1 - tensão de entrada (CH1 – 250

V/div), corrente de entrada (CH2 – 1 A/div), tensão na lâmpada (CH3 – 25 V/div) e

corrente na lâmpada (CH4 – 100 mA/div) - 4 ms ...................................................... 79

Figura 43 - Resultado experimental – conversor 1 – análise de potência – (a) Formas

de onda de tensão e corrente na entrada e na saída e (b) valores de tensão e corrente

na entrada e saída, com potências e rendimento ..................................................... 80

Figura 44 - Gráfico de perdas do conversor 1 - análise por simulação ..................... 81

Figura 45 - Conversor 1 – Resultado experimental - Forma de onda de corrente de

entrada e norma IEC 61000-3-2 ................................................................................ 82

Figura 46 - Resultado experimental - conversor 1 - tensão na lâmpada (CH3 – 25

V/div), corrente na lâmpada (CH4 – 100 mA/div) e medição da ondulação em baixa

frequência - 4 ms. ...................................................................................................... 84

Figura 47 - Resultado experimental - conversor 1 - tensão no interruptor Sv1 (CH1 –

250 V/div), corrente no capacitor C1 (CH2 – 10 A/div), tensão no interruptor Sv2 (CH3

– 250 V/div) e corrente no capacitor C5 (CH4 – 10 A/div) – 4 ms ............................. 85

Figura 48 - Resultado experimental - conversor 1 - tensão no interruptor Sv1 (CH1 –

250 V/div), corrente no capacitor C1 (CH2 – 10 A/div), tensão no interruptor Sv2 (CH3

– 250 V/div) e corrente no capacitor C5 (CH4 – 10 A/div) – 4 µs - Zoom .................. 85

Figura 49 - Resultado experimental - conversor 1 - tensão no capacitor C1 (CH1 – 100

V/div), corrente no capacitor C1 (CH2 – 10 A/div), tensão no capacitor C5 (CH3 – 250

V/div) e corrente no capacitor C5 (CH4 – 10 A/div) – 4 ms ....................................... 86

Figura 50 - Foto do conversor 2 ................................................................................ 87

Figura 51 - Resultado por simulação - conversor 2 - tensão de entrada (Vin_1/311 -

azul), corrente de entrada (Iin_1 – ciano), tensão na lâmpada (Vo_1/200 - rosa) e

corrente na lâmpada (I(LED2) - verde) – 3,3 ms. ...................................................... 89

Figura 52 - Resultado experimental - conversor 2 - tensão de entrada (CH1 – 250

V/div), corrente de entrada (CH2 – 1 A/div), tensão na lâmpada (CH3 – 10 V/div) e

corrente na lâmpada (CH4 – 100 mA/div) - 4 ms. ..................................................... 89

Figura 53 - Resultado experimental – conversor 2 – análise de potência – (a) Formas

de onda de tensão e corrente na entrada e saída e (b) valores de tensão e corrente

na entrada e saída, com potências e rendimento ...................................................... 90

Figura 54 – Conversor 2 – Resultado experimental - Forma de onda de corrente de

entrada e norma IEC 61000-3-2 ................................................................................ 91

Figura 55 - Resultado experimental - conversor 2 - tensão na lâmpada (CH3 – 25

V/div), corrente na lâmpada (CH4 – 100 mA/div) e medição da ondulação em baixa

frequência - 4 ms. ...................................................................................................... 93

Figura 56 - Resultado experimental - conversor 2 - tensão no interruptor Sr1 (CH1 –

250 V/div), corrente no interruptor Sr1 (CH2 – 10 A/div), tensão no interruptor Sr2 (CH3

– 250 V/div) e corrente no interruptor Sr2 (CH4 – 5 A/div) - 4 ms ............................. 94

Figura 57 - Resultado experimental - conversor 2 - tensão no interruptor Sr1 (CH1 –

250 V/div), corrente no interruptor Sr1 (CH2 – 2 A/div), tensão no interruptor Sr2 (CH3

– 250 V/div) e corrente no interruptor Sr2 (CH4 – 2 A/div) - 4 µs - zoom ................. 95

Figura 58 - Resultado experimental - conversor 2 - tensão no capacitor CR (CH1 – 50

V/div), corrente no interruptor Sr1 (CH2 – 2 A/div) e corrente no interruptor Sr2 (CH4

– 2 A/div) - 4 ms ........................................................................................................ 96

Figura 59 - Resultado experimental a 20 W - conversor 2 - tensão de entrada (CH1 –

250 V/div), corrente de entrada (CH2 – 500 mA/div), tensão na lâmpada (CH3 – 25

V/div) e corrente na lâmpada (CH4 – 100 mA/div) - 4 ms. ........................................ 97

Figura 60 - Resultado experimental a 20 W – conversor 2 – análise de potência – (a)

Formas de onda de tensão e corrente na entrada e saída e (b) valores de tensão e

corrente na entrada e saída, com potências e rendimento ....................................... 97

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Relação de eficiência mínima para lâmpada de LED tubular conforme

Portaria nº 389 .......................................................................................................... 39

Tabela 2 - Limite mínimo de fator de potência conforme Portaria nº 389 .................. 40

Tabela 3 - Limites de conteúdo harmônico conforme IEC 61000-3-2 ....................... 41

Tabela 4 - Dados de projeto para os conversores ..................................................... 63

Tabela 5 - Parâmetros da simulação para análise do CDVF .................................... 64

Tabela 6 - Parâmetros da simulação para análise do CCCR .................................... 69

Tabela 7 - Parâmetros definidos para os conversores .............................................. 71

Tabela 8 – Componentes da placa de alimentação e comando ................................ 74

Tabela 9 - Componentes do conversor 1 .................................................................. 77

Tabela 10 - Não-linearidades dos componentes do conversor 1 .............................. 78

Tabela 11 - Comparação de resultados - conversor 1 .............................................. 80

Tabela 12 - Conversor 1 e a norma IEC 61000-3-2 – opção 1 .................................. 83


Tabela 14 - Componentes do conversor 2 ................................................................ 87

Tabela 15 - Não-linearidades dos componentes do conversor 2 .............................. 88

Tabela 16 - Comparação de resultados – Conversor 2 - CBCC ................................ 90



LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

3D 3-Dimensões

CBCC Conversor básico de capacitor chaveado

CCCR Conversor a capacitor chaveado ressonante

CDVF Conversor derivado do Valley-Fill

CI Circuito integrado

EMI Electromagnetic Interference (Interferência Eletromagnética)

IEC International Electrotechnical Commission

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers

INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia

LED Light Emitting Diodes (Diodo Emissor de Luz)

PCB Printed Circuit Board (Placa de Circuito Impresso)

PWM Pulse Width Modulation (Modulação por largura de pulso)

ZCS Zero Current Switching (Comutação em zero de corrente)

LISTA DE SÍMBOLOS

C1 a C5 Capacitor 1 a 5 do conversor a capacitor chaveado Valley-Fill

Cb1 Capacitor 1 do conversor básico de capacitor chaveado

Cb2 Capacitor 2 (de saída) do conversor básico de capacitor chaveado

Cf Capacitor de filtro de entrada

CH1 Channel 1 – Canal 1 do osciloscópio




Cout Capacitor de saída do primeiro conversor

CoR Capacitor de saída do conversor ressonante

CR Capacitor ressonante do conversor 2

D5 a D16 Diodos 5 a 16 do conversor 1

Dp1 Diodo 1 da ponte retificadora




fr Frequência da tensão de entrada

fripple Frequência da ondulação de corrente nos LEDs

fs Frequência de comutação

Io Corrente média de saída

Iomax Valor máximo da corrente de saída

Iomed Valor médio da corrente de saída

Iomin Valor mínimo da corrente de saída

Ion Ondulação de corrente nominal do capacitor

Ior Ondulação de corrente real no capacitor

IREDE Corrente da rede

K1 Fator de segurança empírico

KR Fator relacionado a ondulação de corrente

KT Fator relacionado à temperatura

KV Fator relacionado à tensão de operação

LC Vida útil real do capacitor eletrolítico

LCo Vida útil nominal do capacitor eletrolítico

Lf Indutor de filtro de entrada

Lmax Valor máximo da luminância

Lmin Valor mínimo da luminância

LR Indutor ressonante do conversor 2

Mod% Modulação percentual

ƞ Rendimento global do circuito

n Variável condicional (n=3 se 0,5≤(Ua/Ur)≤0,8 e n=5 se 0,8≤(Ua/Ur)≤1)

Po Potência média de saída

Rlamp Resistência do modelo elétrico da lâmpada de LEDs

Sb1 Interruptor 1 do conversor básico de capacitor chaveado

Sb2 Interruptor 2 do conversor básico de capacitor chaveado

Sr1 Interruptor 1 do conversor a capacitor chaveado ressonante

Sr2 Interruptor 2 do conversor a capacitor chaveado ressonante

Sv1 Interruptor 1 do conversor derivado de Valley-Fill com 5 células

Sv2 Interruptor 2 do conversor derivado de Valley-Fill com 5 células

t Tempo

Ta Valor da temperatura real do capacitor

To Valor da máxima temperatura do capacitor

Ua Tensão real de operação do capacitor

Ur Tensão nominal do capacitor

Vincb Tensão de entrada do conversor básico de capacitor chaveado

Vocb Tensão de saída do conversor básico de capacitor chaveado

V/div. Volt(s) / divisão

Vgs Tensão gate-source

Vin Tensão de entrada

Vlamp Queda de tensão sobre o modelo elétrico da lâmpada de LEDs

Vo Tensão média de saída

VREDE Tensão da rede

∆Io Valor da variação da corrente de saída

ΔTo Aumento de temperatura interna devido a ondulação de corrente nominal

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 29

1.1 MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS .............................................................................. 29

1.2 CONTRIBUIÇÃO DO TRABALHO ...................................................................... 29

1.3 DIVISÃO DA DISSERTAÇÃO ............................................................................. 30

2 CAPACITOR CHAVEADO E ILUMINAÇÃO EM ESTADO SÓLIDO ................ 33

2.1 ILUMINAÇÃO EM ESTADO SÓLIDO ................................................................. 33

2.1.1 Lâmpada LED tubular .................................................................................... 35

2.2 TÉCNICA DE CAPACITOR CHAVEADO ............................................................ 36

3 REQUISITOS DO SISTEMA ELETRÔNICO ..................................................... 39

3.1 PORTARIA Nº 389 - REGULAMENTO TÉCNICO DA QUALIDADE PARA

LÂMPADAS LED COM DISPOSITIVO DE CONTROLE INTEGRADO À BASE ....... 39

3.2 NORMA IEC 61000-3-2 – COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA .............. 40

3.3 IEEE 1789 -2015 - PRÁTICAS RECOMENDADAS PARA MODULAÇÃO DE

CORRENTE EM LEDS DE ALTO BRILHO PARA MITIGAR RISCOS À SAÚDE ..... 42

3.4 CAPACITORES ELETROLÍTICOS E VIDA ÚTIL ................................................ 44

4 CIRCUITOS UTILIZANDO CAPACITOR CHAVEADO ..................................... 49

4.1 CONVERSOR 1 – CONVERSOR DERIVADO DO VALLEY-FILL + CONVERSOR

BÁSICO DE CAPACITOR CHAVEADO .................................................................... 49

4.1.1 Conversor CDVF ............................................................................................. 50

4.1.2 Conversor básico de capacitor chaveado - CBCC ...................................... 53

4.1.3 União do conversor CDVF e CBCC ............................................................... 55

4.2 CONVERSOR A CAPACITOR CHAVEADO RESSONANTE ............................. 56

4.3.1 Etapas de operação do conversor 2 - CBCC ............................................... 57

5 METODOLOGIA DE PROJETO DOS CONVERSORES ................................... 61

5.1 PROJETO DO CONVERSOR 1 – CDVF + CBCC .............................................. 63

5.2 PROJETO DO CONVERSOR 2 .......................................................................... 66

6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DE SIMULAÇÃO .................................... 71

6.1 DADOS INICIAIS ................................................................................................. 71

6.2 CIRCUITO DE COMANDO E DE ALIMENTAÇÃO DO COMANDO ................... 72

6.3 RESULTADOS EXPERIMENTAIS DO CONVERSOR 1 – CDVF + CBCC ........ 76

6.3.1 Resultados de entrada e saída – conversor 1 ............................................. 78

6.3.2 Conversor 1 e as normas .............................................................................. 81

6.3.3 Outros resultados experimentais – conversor CDVF ................................. 84

6.4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS DO CONVERSOR 2 - cbcc .......................... 86

6.4.1 Resultados de entrada e saída – conversor 2 - CBCC ................................ 88

6.4.2 Conversor 2 - CBCC e as normas ................................................................ 91

6.4.3 Outros resultados experimentais – conversor 2 - CBCC ........................... 94

6.4.4 Conversor 2 – CBCC operando com 20 W na saída .................................. 96

7 CONCLUSÕES ................................................................................................. 99

REFERÊNCIAS ...................................................................................................... 101

APÊNDICE I ........................................................................................................... 105

APÊNDICE II .......................................................................................................... 106

APÊNDICE III ......................................................................................................... 107

APÊNDICE IV ......................................................................................................... 109

1 INTRODUÇÃO

Este trabalho trata de circuitos de acionamento para uma lâmpada LED tubular

(LED = Diodos Emissores de Luz, do inglês: Light Emitting Diodes) para iluminação

de interiores. Os circuitos de acionamento têm a característica de empregarem a

técnica de capacitor chaveado. Essa técnica não costuma ser utilizada na área de

iluminação, portanto este trabalho busca por circuitos que possam alimentar a

lâmpada e comparar com os atuais circuitos utilizados para este fim. São

apresentados dois circuitos, um deles inédito, para essa utilização. Ao final são

apresentados os resultados experimentais das duas topologias.

1.1 MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS

A principal motivação do trabalho foi aprofundar a análise dessa técnica e

aplicá-la em uma lâmpada, na qual fosse necessário reduzido tamanho e volume, uma

vez que a análise anterior havia sido na área de iluminação pública, onde o tamanho

do circuito de acionamento não é tão importante. Uma vez que poucos trabalhos

apresentam conversores utilizando capacitor chaveado na área de iluminação a LEDs,

consolidar o seu funcionamento nessa área é outra motivação. O objetivo principal é

demonstrar que os conversores escolhidos funcionam e que possuem a razão cíclica

de um dos interruptores para a mudança do ganho de tensão, uma vez que essa

característica não é comum na maior parte dos conversores a capacitor chaveado.

1.2 CONTRIBUIÇÃO DO TRABALHO

A principal contribuição deste trabalho foi pesquisar por diferentes trabalhos

que tratam de conversores com capacitor chaveado, a fim de selecionar conversores

que podem ser utilizados para o acionamento de uma lâmpada LED tubular. Além

disso, a intenção é desenvolver os conversores experimentalmente a fim de

comprovar o seu correto funcionamento no acionamento da lâmpada. O trabalho

comprovou que, utilizando conversores com capacitor chaveado, é possível acionar

30

LEDs. Além disso, são utilizados circuitos que permitem alterar o ganho através da

razão cíclica.

Ainda, o primeiro conversor desenvolvido é inédito na literatura. Esse é a união

em cascata de dois outros conversores conhecidos, mas a integração desses com a

intenção de ter a razão cíclica de um interruptor como variável para mudança do ganho

do conversor nunca foi apresentada antes na literatura

1.3 DIVISÃO DA DISSERTAÇÃO

O capítulo 2 apresenta uma introdução à iluminação artificial, com foco em

lâmpadas que usam LEDs, contendo uma breve revisão bibliográfica do assunto e

apresentando as vantagens e desvantagens desta tecnologia, com enfâse em

lâmpada LED tubular, principal foco de aplicação do trabalho. Além disso, há uma

explicação sobre capacitor chaveado, trazendo uma análise do que é apresentado a

este respeito na literatura.

O capítulo 3 apresenta as principais normas para lâmpadas LEDs para

iluminação interior, que são: a portaria nº 389, a norma internacional IEC 61000-3-2 e

a recomendação IEEE 1789-2015. Essas normas tratam de fator de potência, máxima

ondulação de corrente na lâmpada, limite de harmônicos na corrente de entrada, entre

outros pontos. Além disso, esse capítulo traz um resumo sobre a vida útil de

capacitores eletrolíticos, a fim de “desmitificar” a crença de que capacitor eletrolítico

deve ser banido dos circuitos de acionamento para LEDs devido à sua curta vida útil

quando comparada à vida útil dos LEDs.

O capítulo 4 apresenta os dois circuitos analisados nesta dissertação.

Inicialmente são apresentados os dois conversores que juntos formam o primeiro

conversor analisado e, após, o segundo conversor. Nesse capítulo é mostrado como

os conversores funcionam, com suas etapas de operação e principais características.

O capítulo 5 traz a metodologia de projeto utilizada em cada um dos

conversores analisados e quais os parâmetros iniciais utilizados para o projeto dos

conversores.

O capítulo 6 apresenta os resultados dos projetos dos conversores, como foi

desenvolvida a placa de alimentação e comando dos interruptores, além dos

resultados de simulação e resultados experimentais dos dois conversores. Esse

31

capítulo tem como principal objetivo validar o projeto do capítulo anterior e comprovar

o correto funcionamento dos conversores.

Por fim, o capítulo 7 apresenta as principais contribuições deste trabalho, no

qual são discutidos os resultados obtidos na parte experimental.

2 CAPACITOR CHAVEADO E ILUMINAÇÃO EM ESTADO SÓLIDO

Este capítulo apresenta conceitos básicos dos principais aspectos tratados

nessa dissertação: capacitor chaveado e iluminação em estado sólido. São

apresentados os motivos para o uso de LEDs e suas características para os sistemas

de iluminação de interiores, assim como as características dos conversores que

utilizam a técnica de capacitor chaveado, vantagens, desvantagens e principais

aplicações.

2.1 ILUMINAÇÃO EM ESTADO SÓLIDO

Desde o uso do fogo, a iluminação artificial contribuiu para a prolongação das

horas úteis do ser humano, sendo possível também aproveitar as horas sem a

iluminação solar. Hoje, um mundo sem iluminação artificial é inviável, sendo o

consumo em iluminação responsável por aproximadamente de 15 a 20% de toda a

energia utilizada no mundo. De toda a parcela de energia utilizada em iluminação,

estima-se que 25% seja destinada à iluminação das vias públicas (INTERNATIONAL

ENERGY AGENCY, 2005). Por esse valor, percebe-se que o estudo e

desenvolvimento de tecnologias cada vez melhores e mais eficientes são

fundamentais para o melhor uso dessa energia, gerando menos perdas e

aproveitando de maneira mais inteligente a energia.

Entre as fontes de iluminação mais conhecidas, os LEDs conquistaram

rapidamente seu espaço no mercado. Na Figura 1, pode-se perceber como os LEDs

diminuíram rápido seu preço em 10 anos e, ao mesmo tempo, aumentaram sua

eficácia luminosa. Prevê-se que os LEDs vão substituir mais de 60% das outras fontes

de iluminação na próxima década (COLE; DRISCOLL, 2014).

As principais características dos LEDs a serem destacadas são: alta eficácia

luminosa, robustez, longa vida útil e bom Índice de Reprodução de Cores (IRC).

34

Figura 1 - Evolução dos LEDs de 2000 a 2011

Fonte: (ZISSIS; BERTOLDI, 2014)

Os LEDs já estão disponíveis comercialmente com diferentes encapsulamentos

e diferentes potências e podem ser utilizados para iluminação pública e para

iluminação de interiores. No caso de iluminação de interiores, onde são utilizados em

potências menores, as lâmpadas empregando LEDs podem ser encontradas,

usualmente, no formato de bulbo ou de tubo, conforme mostrado na Figura 2.

Figura 2 - Lâmpada de LEDs comerciais no formato de: (a) bulbo e (b) tubo

(a) (b)

Fonte: (a) (EMPALUZ, 2017) e (b) (ZAGONEL, 2015)

35

As lâmpadas LED bulbo visam substituir as lâmpadas incandescentes e as

fluorescentes em forma de bulbo enquanto as lâmpadas LED tubulares são utilizadas

no lugar das lâmpadas tubulares fluorescentes. As lâmpadas LED entraram no

mercado inicialmente como uma opção às fontes de iluminação convencionais, por

isso possuem o mesmo modelo das já existentes.

No caso das lâmpadas bulbo, a substituição é imediata, ou seja, pode-se

simplesmente remover a bulbo incandescente ou fluorescente e instalar a LED bulbo.

No caso das lâmpadas tubulares, a lâmpada LED traz um diferencial: enquanto as

fluorescentes precisam de um reator externo, usualmente escondido dentro da calha,

as novas lâmpadas possuem o circuito de acionamento dentro do próprio tubo,

dispensando a compra de outro componente eletrônico para o seu acionamento. Por

isso as novas instalações, já visando o uso de LEDs, devem ser diferenciadas, com

calhas mais finas, pois só precisam dar suporte à lâmpada, não sendo necessário

esconder o reator.

2.1.1 Lâmpada LED tubular

Usualmente o circuito de acionamento da lâmpada LED tubular esta localizado

dentro da lâmpada de 2 maneiras: horizontalmente, na parte superior da lâmpada, ou

em uma das (ou nas duas) extremidades do invólucro da lâmpada. Uma foto de cada

um dos casos pode ser vista na Figura 3.

Figura 3 – (a) circuito de acionamento na parte de cima (horizontalmente) e (b) circuito de acionamento em uma das estremidades do invólucro da lâmpada

(a) (b)

Fonte: (a) (RICHTEK, 2014) e (b) (SMOOTH LIGHTING TECH CO., 2014)

36

Uma exceção ao que é mostrado na Figura 3 são as lâmpadas T5 (com 16 mm

de diâmetro), que são pequenas demais para comportar os LEDs mais o circuito de

acionamento em seu interior. No caso dessas lâmpadas, o circuito de acionamento é

vendido separadamente, da mesma forma que são vendidos os reatores para as

lâmpadas tubulares fluorescentes.

Neste trabalho são utilizadas lâmpadas LED tubulares, em que o circuito de

acionamento será fixado à lâmpada conforme mostrado na Figura 3 (a). Dessa

maneira existe uma altura e uma largura máxima dos componentes a serem

respeitadas para que o circuito de acionamento ainda possa ser disposto no interior

da lâmpada.

As lâmpadas tubulares comumente conhecidas são as fluorescentes, que

existem em diversos modelos, como: T5, T8, T10 e T12, onde a diferença entre elas

é o diâmetro de cada uma, sendo necessário diferentes suportes. Entre as lâmpadas

disponíveis comercialmente, ainda é possível diferenciá-las em relação ao seu

comprimento, sendo possível encontrar lâmpadas de 60 cm, 120 cm e 240 cm. Devido

ao seu extenso uso em aplicações residenciais, escolheu-se trabalhar com lâmpadas

T8 de 120 cm.

2.2 TÉCNICA DE CAPACITOR CHAVEADO

A técnica de capacitor chaveado consiste em utilizar o capacitor do circuito

como o responsável pela transferência de energia entre a entrada e a saída do circuito

e não o indutor, conforme ocorre na maior parte das outras topologias.

Os estudos utilizando essa técnica são antigos, conforme mostrado em

(FUDIM, 1984; KUMAR, 1984; NAKAYAMA, KENJI; KURAISHI, 1987).

Mesmo com muitos artigos e trabalhos na área de capacitor chaveado, muitos

deles tratam de circuitos com potência muito baixa, na ordem de mW e µW, com o

intuito de usar o circuito dentro de um circuito integrado (CI) (LUIS et al., 2017;

MEYVAERT et al., 2014).

Entre as principais vantagens no uso de capacitor chaveado tem-se a

possibilidade de não utilizar indutores ou transformadores no circuito (uma vez que o

capacitor irá ter a função destes). Através da não utilização de indutores, possibilita-

se a redução no peso e volume do circuito, uma vez que os componentes magnéticos

37

são os principais responsáveis pelo volume e peso dos circuitos eletrônicos. Ainda

devido a este motivo, aumenta-se a densidade de potência do circuito. Por essa razão,

os circuitos a capacitor chaveado são muitas vezes utilizados na fabricação de CIs.

Outra vantagem do uso da técnica de capacitor chaveado é a diminuição de EMI

(Interferência Eletromagnética, do inglês: Electromagnetic Interference).

Mesmo com as vantagens apresentadas, algumas de suas características não

são desejadas em circuitos eletrônicos, como perdas inerentes da topologia (circuitos

com capacitor chaveado usualmente possuem um rendimento menor quando

comparados com os circuitos normalmente utilizados), grande número de

interruptores nos circuitos (não é válido para todos, mas a maioria dos circuitos

apresenta diversos interruptores) e, ainda, altos valores de picos de correntes na

carga e descarga dos capacitores, uma vez que os elementos responsáveis pelo

aumento lento da corrente são os indutores.

É válido reiterar que, mesmo que tenha sido ressaltado a possibilidade de não

utilizar indutores, é possível encontrar circuitos a capacitor chaveado com indutores

no circuito, mas esses possuem pequeno tamanho para o nível de potência do circuito.

Outra característica desses circuitos, que não é interessante para o uso neste

trabalho, é que o ganho do circuito não pode ser controlado através da razão cíclica,

pois depende da topologia empregada (MEYVAERT et al., 2014). Conversores

habitualmente utilizados para alimentar LEDs, como Buck, Boost, Buck-Boost e

Flyback podem ser controlados através da variação da razão cíclica de seu interruptor,

tornando o controle relativamente fácil. No caso de alguns conversores com capacitor

chaveado, o ganho do circuito depende da topologia, ou seja, para modificar o ganho

é necessário modificar o valor dos elementos ou a topologia, o que torna o controle

mais complexo.

Poucos são os trabalhos na literatura que usam a técnica de capacitor

chaveado para o acionamento de LEDs, mas entre eles pode-se encontrar (DOS

SANTOS Fo et al., 2014; MARTINS, M. et al., 2015; MIRANDA et al., 2011).

3 REQUISITOS DO SISTEMA ELETRÔNICO

Este capítulo apresenta alguns dos parâmetros que devem ser utilizados para

o projeto do circuito eletrônico que irá acionar a lâmpada LED tubular. São normas,

portarias e recomendações que tratam de LEDs, determinando alguns valores

mínimos e considerando o melhor para o sistema elétrico, para o circuito eletrônico,

para os LEDs e para a saúde humana. Além disso, um dos itens trata de capacitores

eletrolíticos e seu comportamento em relação à vida útil.

3.1 PORTARIA Nº 389 - REGULAMENTO TÉCNICO DA QUALIDADE PARA LÂMPADAS LED COM DISPOSITIVO DE CONTROLE INTEGRADO À BASE

A portaria nº 389 do Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia

(INMETRO) estabelece os requisitos que devem ser atendidos pelas lâmpadas LED,

visando a eficiência energética, segurança e compatibilidade eletromagnética dessas.

Esta portaria aplica-se para lâmpadas LED com dispositivo de controle integrado à

base, ou seja, peça única, com frequência de 60 Hz, podendo ser para tensões de

127 ou 220 V e com potência nominal de até 60 W (INMETRO, 2014).

Esta portaria delimita a relação de eficiência mínima para lâmpada LED tubular,

conforme Tabela 1.

Tabela 1 - Relação de eficiência mínima para lâmpada de LED tubular conforme Portaria nº 389

Comprimento

nominal da lâmpada

(mm)

Tipo de

base

Eficiência

mínima inicial

(lm/W)

Lâmpada LED

tubular

550 – 1150 G5 100

600 - 2400 G13 85

Fonte: Adaptado de (INMETRO, 2014)

Em relação ao fator de potência, os limites mínimos são delimitados conforme

a Tabela 2.

40

Tabela 2 - Limite mínimo de fator de potência conforme Portaria nº 389

Potência da lâmpada Fator de potência

Até 5 W Não é exigido

Entre 5 W e 25 W ≥ 0,7

Acima de 25 W ≥ 0,92

Lâmpadas tubulares

(qualquer potência) ≥ 0,92

Fonte: Adaptado de (INMETRO, 2014)

Essa portaria também abrange os limites das correntes harmônicas, porém os

requisitos são os mesmos da norma IEC 61000-3-2, que é apresentada no próximo

item.

Muitos dos aspectos abrangidos pela norma dizem respeito à indústria, como

as informações que devem estar presentes na embalagem do produto e como devem

ser feitos alguns dos testes de qualidade exigidos. Desta forma, esses aspectos não

serão mostrados neste trabalho.

3.2 NORMA IEC 61000-3-2 – COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA

Esta norma delimita os índices de corrente harmônica injetada no sistema

elétrico de potência por equipamentos eletrônicos. Os equipamentos são divididos em

classes, sendo que a classe C trata dos equipamentos de iluminação. Dentro da

classe C ainda há duas divisões de acordo com a potência: equipamentos com mais

de 25 W e com menos de 25 W (CEI - COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE

INTERNATIONALE, 2002).

Uma vez que as lâmpadas tubulares que serão utilizadas neste trabalho

possuem potência inferior a 25 W, apenas esta parte da norma será apresentada.

No caso de equipamentos de iluminação que possuam potência de entrada

inferior à 25 W, pode-se utilizar duas maneiras para se adequar à norma:

41

O conteúdo harmônico não deve exceder os limites apresentados na Tabela 3,

onde o limite do conteúdo harmônico depende da potência em que se está

operando.

Tabela 3 - Limites de conteúdo harmônico conforme IEC 61000-3-2

Ordem da harmônica Máxima corrente harmônica

permitida por Watt (mA/W)

3 3,4

5 1,9

7 1,0

9 0,5

11 0,35

13≤n≤39 3,85

n

Fonte: Adaptado de (CEI - COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE INTERNATIONALE, 2002)

A corrente harmônica de ordem 3, expressa como um percentual da corrente

fundamental, não deve exceder 86% e a corrente harmônica de ordem 5 não deve

exceder 61%; além disso, a forma de onda da corrente de entrada deve ser tal que

comece antes ou em 60º, tenha seu último pico (se houverem vários picos a cada

meio período) antes de 65º e não pare antes de 90º, sendo que o cruzamento por

zero da forma de onda de tensão de entrada foi assumida como sendo o ponto 0º

(CEI - COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE INTERNATIONALE, 2002).

Para melhor elucidar a segunda condição, pode-se observar a Figura 4.

Figura 4 – Limites da corrente de entrada conforme IEC 61000-3-2

Fonte: Autor

42

3.3 IEEE 1789 -2015 - PRÁTICAS RECOMENDADAS PARA MODULAÇÃO DE CORRENTE EM LEDS DE ALTO BRILHO PARA MITIGAR RISCOS À SAÚDE

Esta é uma recomendação da IEEE, originalmente “IEEE Recommended

Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks

to Viewers” (IEEE POWER ELECTRONICS SOCIETY, 2015) feita para ser aplicada a

LEDs de alto brilho, porém será estendida para o caso em questão nesta dissertação,

que trata de LEDs de potência.

Conforme essa recomendação, alguns valores de ondulação de corrente

podem ter influência negativa na saúde humana. Por isso foi criado o gráfico

apresentado na Figura 5.

Figura 5 – Área segura de operação em relação a ondulação de corrente nos LEDs conforme recomendação IEEE 1789-2015

Fonte: (IEEE POWER ELECTRONICS SOCIETY, 2015)

A operação dentro da área recomendada (em cinza) minimiza desconforto

visual ou incômodo e ainda apresenta baixo risco de dores de cabeça e convulsão

epiléptica fotossensível. Para valores de frequência abaixo de 90 Hz, pode-se calcular

o limite de modulação de acordo com (1), enquanto que, para valores superiores a

90 Hz, deve-se utilizar (2) para o cálculo.

43

% 0,025 rippleMod f (1)

% 0,08 rippleMod f (2)

Em que fripple é a frequência da ondulação de corrente dos LEDs.

Todavia, a equação de modulação percentual utilizada na recomendação não

corresponde à equação da ondulação de corrente normalmente utilizada para a

medição. Enquanto modulação percentual é dada por (3), ondulação de corrente é

calculado como em (4).

max min

max min

% 100L L

ModL L

(3)

max min100med

Io IoIo

Io

(4)

Em que: Lmax é o valor máximo de luminância, Lmin é o valor mínimo de

luminância, Iomax é o valor máximo da corrente de saída, Iomin é o valor mínimo da

corrente de saída e Iomed é o valor médio da corrente de saída.

A fim de transformar o valor dado de modulação em valor de ondulação de

corrente, pode-se, simplificadamente, utilizar a regra de que ΔIo=2·Mod% (ALMEIDA,

PEDRO S. et al., 2015).

Sabendo-se que a frequência da corrente nos LEDs será de 120 Hz (o dobro

da frequência da tensão de entrada, devido ao processo de retificação), o índice de

modulação será de 9,6%, o que resulta em uma ondulação de corrente máximo

permitido na saída de 19,2%.

Dessa maneira, utilizou-se 19,2% de ondulação máxima de corrente nos LEDs

como parâmetro para o projeto de todos os conversores apresentados neste trabalho.

É válido ressaltar que esse é um valor pequeno se comparado com o valor de 50%

até então utilizado em trabalhos com LEDs por muitos pesquisadores da área

44

(BENDER, 2015; COSETIN, 2013; LUZ, 2013), o que torna o projeto muito mais

restrito.

3.4 CAPACITORES ELETROLÍTICOS E VIDA ÚTIL

Uma vez que todos os três conversores apresentados ao longo deste trabalho

possuem capacitores eletrolíticos entre os seus principais componentes, é importante

fazer uma observação sobre sua vida útil, uma vez que estes componentes são

conhecidos por serem os “vilões” da durabilidade de circuitos eletrônicos.

Entre os fatores relacionados às condições de operação do sistema, tem-se:

tensão de operação, ondulação de corrente, carga-descarga; e entre os fatores

ambientais, tem-se: temperatura, umidade, pressão atmosférica e vibrações. Entre

esses, a vida útil de capacitores eletrolíticos depende principalmente de três fatores:

tensão de operação, ondulação de corrente e temperatura, de acordo com (SPANIK;

FRIVALDSKY; KANOVSKY, 2014). Esses três fatores são mostrados em (5).

C Co T R VL L K K K

(5)

Em que: LC é a vida útil real do capacitor eletrolítico, LCo é a vida útil nominal

do capacitor eletrolítico, KT é o fator relacionado à temperatura, KR é o fator

relacionado a ondulação de corrente e KV é o fator relacionado à tensão de operação.

Cada um desses fatores é melhor apresentado a seguir, onde (6) descreve KT,

(7) descreve KR e (8) descreve KV.

102To Ta

TK

(6)

Em que: To é a máxima temperatura que consta na folha de dados do fabricante

do capacitor (em K) e Ta é a temperatura real interna no capacitor (em K);

2

1 110 *

R

Ior ToK K

Ion K

(7)

45

* 10 K = 10 Kelvin

Em que: K1 é um fator de segurança empírico: K1=4 para Ior>Io e K1=2 para

Ior<Io, Ior é a ondulação de corrente real no capacitor, Ion é a ondulação de corrente

nominal do capacitor e ΔTo é o aumento de temperatura interno devido a ondulação

de corrente nominal;

n

V

UaK

Ur

(8)

Em que: Ua é a tensão real de operação do capacitor, Ur é a tensão nominal

do capacitor e n é definido pela condição: n=3 se 0,5≤(Ua/Ur)≤0,8 e n=5 se

0,8≤(Ua/Ur)≤1; sendo que tensões de funcionamento abaixo da metade da tensão

nominal são consideradas impraticáveis.

Dessa maneira, através da equação que determina a vida útil do capacitor

eletrolítico, pode-se plotar o gráfico apresentado na Figura 6, que relaciona vida útil,

temperatura de operação e tensão de operação do capacitor, mantendo a ondulação

de corrente conforme o nominal, ou seja, KR=1.

O eixo Z, que apresenta a vida útil do capacitor eletrolítico, está mostrado

proporcionalmente à vida útil nominal, ou seja, considerou-se Lo=1. O eixo X, que

apresenta a tensão de operação, está em Volts e é baseado em uma tensão máxima

de operação de 100 V (ou seja, analisou-se para valores maiores e menores, de 85 a

110 V). O eixo Y apresenta a temperatura, em ºC, e considera que a temperatura

máxima do capacitor é de 100 ºC (ou seja, novamente analisou-se para valores

inferiores e superiores, variando de 85 a 110 ºC).

Com o aumento da tensão e da temperatura, para um valor 10% superior em

ambos os parâmetros, a vida útil do capacitor diminui para aproximadamente 31% de

sua vida útil nominal, enquanto que, para valores 10% inferiores (tanto de tensão

quando de temperatura), a vida útil chega a 338% da vida útil nominal.

46

Figura 6 - Comportamento da vida útil de capacitores eletrolíticos com a variação da tensão e da temperatura de operação.

Fonte: Adaptado de (SPANIK; FRIVALDSKY; KANOVSKY, 2014)

Considerando-se que, atualmente, pode-se encontrar capacitores eletrolíticos

para venda comercial com 20 000 horas de vida útil, apenas com algum cuidado em

relação à sua temperatura e à sua tensão de operação, esse valor pode facilmente

aumentar para 80 000 horas, o que desfaz o “mito” da vida útil do capacitor impedir

que o circuito eletrônico para lâmpadas de LEDs dure o tempo suficiente.

Além disso, na Figura 7 são mostrados os principais parâmetros relativos aos

capacitores e à performance de três tipos de capacitores, são eles: capacitores

eletrolíticos de alumínio, capacitores de filme e capacitores cerâmicos de

multicamadas.

85

90

95

100

105

110

85

90

95

100

105

110

0

1

2

3

4

5

6

7

Temperatura (ºC)

Gráfico da Pri

Tensão (V)

Vid

a Ú

til

1

2

3

4

5

6

47

Figura 7 – Comparação relativa de capacitores eletrolíticos, de filme e cerâmicos

Fonte: (WANG; BLAABJERG, 2014)

Os capacitores eletrolíticos são os mais utilizados em sistemas eletrônicos, isso

acontece por três razões principais: são encontrados em valores altos de

capacitâncias, possuem baixo custo e alta densidade de energia (ou seja, menor

volume), conforme mostrado na Figura 7.

Com base nos dados relativos à vida útil e nas características dos capacitores

eletrolíticos em relação às outras tecnologias de capacitores, percebe-se que o uso

desses é muito importante para a indústria, uma vez que é necessário que eles sejam

pequenos, baratos e, muitas vezes, com altas capacitâncias. A solução, portanto, não

é abandoná-los ou substitui-los por outras tecnologias, mas sim fazer um projeto que

considere os fatores que influenciam em sua vida útil, assim aproveitando todas as

vantagens dos capacitores eletrolíticos.

49

4 CIRCUITOS UTILIZANDO CAPACITOR CHAVEADO

Neste capítulo são apresentados os dois conversores analisados no decorrer

do trabalho, sendo que ambos foram projetados, simulados e testados

experimentalmente. Este capítulo será dividido em dois subitens principais, cada um

deles referente a um desses conversores, uma vez que eles são diferentes entre si e

cada um possui suas características e forma de projeto diferente.

4.1 CONVERSOR 1 – CONVERSOR DERIVADO DO VALLEY-FILL + CONVERSOR BÁSICO DE CAPACITOR CHAVEADO

Este conversor é a união de outros dois conversores, o conversor derivado do

circuito Valley-Fill (CDVF) e o conversor básico de capacitor chaveado (CBCC). Eles

foram integrados de maneira a fornecer a tensão correta na saída e, ainda, possuir

uma das chaves na qual a razão cíclica pode ser modificada de forma a variar a tensão

de saída. Mesmo que modificar o valor da razão cíclica do interruptor visando variar o

valor da tensão de saída seja uma característica comum dos conversores mais

utilizados como Buck, Boost, Buck-Boost, Flyback, entre outros, quando se trata de

conversores com capacitor chaveado essa característica é rara (DONGYUAN QIU,

BO ZHANG, 2005). Na maior parte das vezes, o ganho do circuito é dado apenas em

função da topologia ou do valor dos componentes utilizados, tornando quase inviável

controlar o circuito (com exceção de casos onde pode-se mudar o valor dos

componentes utilizando a malha de controle, como é o caso de indutores variáveis

(MENKE et al., 2015)).

Partindo-se de um conversor com um ganho dado pela topologia, outro

conversor foi adicionado à saída desse, no qual o ganho é variável pela razão cíclica,

formando um conversor com ganho variável.

4.1.1 Conversor CDVF

O primeiro conversor a ser analisado é derivado da topologia Valley-Fill e foi

apresentado em (MARTINS, GUILHERME BRUNEL, 2013) e (BENDER, 2015). A

Figura 8 apresenta a célula Valley-Fill, na qual foi inspirado o conversor.

Figura 8 - Célula Valley-Fill

Fonte: Autor

O conversor pode possuir um número variável de células com capacitor

chaveado, na Figura 9 é apresentado o conversor com 5 células de capacitor

chaveado.

Figura 9 - DVF com 5 células

Fonte: Adaptado de (MARTINS, GUILHERME BRUNEL, 2013)

Este conversor é formado por 6 capacitores, 12 diodos e 2 interruptores. Os

interruptores funcionam com razão cíclica de 50% cada, de forma complementar,

conforme apresentado na Figura 11.

Todos os conversores mostrados consideram uma fonte de tensão contínua,

porém o que foi utilizado é uma fonte de tensão alternada, uma ponte retificadora e

um filtro de entrada. Dessa maneira, a fim de simplificar a análise do circuito, a fonte

51

de tensão senoidal, a ponte retificadora e o filtro são substituídos por uma fonte de

tensão retificada, conforme demonstrado na Figura 10.

Figura 10 - Simplificação da tensão retificada

Fonte: Autor

O conversor possui duas etapas de operação. Na primeira delas, apresentada

na Figura 12, o primeiro interruptor, Sv1, está conduzindo e Sv2 está aberto.

Durante essa etapa a fonte de tensão está em série com os cinco capacitores,

de forma que cada um deles irá se carregar até atingir um quinto (1/5) da tensão de

entrada cada. Essa etapa termina na metade do período de comutação, quando o

interruptor Sv1 deixa de conduzir e Sv2 é comutado.

Figura 11 - Razão cíclica dos interruptores Sv1 e Sv2 do CDVF

Fonte: Autor

52

Figura 12 - Conversor derivado da célula Valley-Fill - primeira etapa

Fonte: Autor

Na segunda etapa de operação, apresentada na Figura 13, Sv2 está

conduzindo.

Durante essa etapa, todas as cinco células de capacitor chaveado estão em

paralelo, fazendo com que o valor de tensão na saída seja o valor de tensão em cada

capacitor, ou seja, um quinto do valor da tensão de entrada. Todos os cinco

capacitores estão descarregando simultaneamente. Durante essa etapa, eles não

descarregam totalmente, apenas parcialmente, fazendo com que, no início da primeira

etapa, os capacitores já possuam um certo valor de tensão.

Figura 13 - Conversor derivado da célula Valley-Fill - segunda etapa

Fonte: Autor

Depois da segunda etapa, o interruptor Sv2 abre e o interruptor Sv1 passa a

conduzir novamente, iniciando, assim, a primeira etapa novamente.

O funcionamento desse conversor é muito simples, porém o ganho de tensão

da saída em relação à entrada é dado pelo número de células de capacitor chaveado

presentes na topologia, nesse caso: um quinto. Isso faz com que o conversor tenha

aplicações restritas a dispositivos onde a regulação da tensão de saída não seja

importante, uma vez que a tensão de saída deverá ser um valor múltiplo da tensão de

entrada (1/2, 1/3, 1/4, 1/5, etc), sendo que haverá perdas no sistema, então o valor

53

será próximo a um desses múltiplos, mas o valor preciso depende da análise das

perdas em cada componente.

4.1.2 Conversor básico de capacitor chaveado - CBCC

Visando contornar esse problema do ganho, adicionou-se à saída deste

conversor um outro conversor, que é o conversor a capacitor chaveado básico,

conforme mostrado na Figura 14 e apresentado em (BEN-YAAKOV, SAM;

EVZELMAN, 2009; EVZELMAN; BEN-YAAKOV, 2013; KIMBALL; KREIN, 2005).

Esse conversor também possui apenas duas etapas de operação, dependendo

dos interruptores Sb1 e Sb2, os quais funcionam complementarmente com uma razão

cíclica de 50% cada, da mesma maneira demonstrada na Figura 11. Dessa maneira,

o conversor possui um ganho de 1, fazendo com que a tensão de saída seja igual à

tensão de entrada.

Figura 14 - Conversor básico com capacitor chaveado

Fonte: Adaptado de (KIMBALL; KREIN, 2005)

A primeira etapa é demonstrada na Figura 15 e consiste no capacitor Cb1 ser

carregado com a tensão de entrada através do interruptor Sb1.

54

Figura 15 - Conversor básico com capacitor chaveado - primeira etapa de operação

Fonte: Autor

Durante a segunda etapa de operação, mostrada na Figura 16, o capacitor Cb1,

que foi carregado durante a primeira etapa, é agora descarregado na saída através

do interruptor Sb2. Desta maneira completa-se o ciclo e a próxima etapa é novamente

a etapa número um.

Figura 16 - Conversor básico com capacitor chaveado - segunda etapa de operação

Fonte: Autor

Esse conversor possui ganho unitário, porém, variando-se a razão cíclica de

um dos dois interruptores, é possível fazer com que a tensão de saída possua um

valor inferior ao valor da tensão de entrada, característica de um conversor abaixador.

O problema desse artifício é que o rendimento total do circuito será proporcional à

tensão de saída, conforme demonstrado matematicamente em (9) (CHUNG; B., O;

IOINOVICI, 1996)(BEN-YAAKOV, SHMUEL, 2012)(CERVERA et al., 2015).

cb

cb

Vo

Vin

(9)

Em que:

Ƞ é o rendimento global do circuito;

Vocb é a tensão de saída do conversor básico de capacitor chaveado;

55

Vincb é a tensão de entrada do conversor básico de capacitor chaveado.

Ou seja, para uma tensão de entrada de 100 V e de saída de 70 V, o rendimento

é de 70%, o que não é uma característica interessante para o sistema. Porém o lado

positivo é que esse conversor possibilita a escolha da tensão de saída apenas através

da variação da razão cíclica de um dos dois interruptores, o que é uma característica

desejada para o conversor. Dessa maneira, pode-se utilizar o conversor derivado da

célula Valley-Fill para reduzir a tensão a um nível próximo ao nível desejado de tensão

na saída e, integrado a ele, utilizar o conversor básico com conversor chaveado para

fazer um pequeno ajuste no valor de tensão. Dessa maneira o rendimento não será

muito comprometido.

4.1.3 União do conversor CDVF e CBCC

Os dois conversores em cascata são apresentados na Figura 17. Devido aos

interruptores Sv2 e Sb1 estarem em série, pode-se redesenhar o circuito proposto

conforme mostrado na Figura 18.

Dessa maneira a razão cíclica dos interruptores Sv1 e Sv2 continua sendo de

50% de forma complementar, enquanto Sb2 varia de acordo com a tensão desejada

na saída. Um gráfico da razão cíclica dos três interruptores é apresentado na Figura

19.

Figura 17 - Conversor proposto - conversor derivado da célula Valley-Fill + conversor básico de capacitor chaveado

Fonte: Autor

56

Figura 18 - Conversor proposto - conversor derivado da célula Valley-Fill + conversor básico de capacitor chaveado - reduzido

Fonte: Autor

Figura 19 - Razão cíclica dos interruptores Sv1, Sv2 e Sb2 do conversor proposto

Fonte: Autor

Assim tem-se o primeiro conversor que foi analisado. Além de possuir a

característica da variação do ganho através da razão cíclica de Sb2, é válido salientar

que nenhum dos dois conversores utilizados possuem indutores.

4.2 CONVERSOR A CAPACITOR CHAVEADO RESSONANTE

O segundo conversor proposto é o Conversor a Capacitor Chaveado

Ressonante (CCCR). Este conversor, ao contrário do apresentado anteriormente,

57

possui um indutor em sua composição. O conversor pode ser visto na Figura 20. Esse

conversor foi baseado no trabalho apresentado em (DONGYUAN QIU, BO ZHANG,

2005) e (QIU; ZHANG, 2006), com diferença no modo de operação utilizado.

Além da presença de um indutor no circuito, pode-se perceber que o número

de componentes é inferior ao apresentado anteriormente, agora com apenas dois

interruptores, dois diodos, um capacitor e um indutor (desconsiderando os elementos

responsáveis pela retificação da tensão de entrada e pelo filtro de entrada, além do

capacitor de saída).

Figura 20 - Conversor 2

Fonte: Autor

4.3.1 Etapas de operação do conversor 2 - CBCC

As etapas de operação são demonstradas a seguir. Os interruptores Sr1 e Sr2

operam similarmente aos interruptores Sb2 e Sv1 do conversor 1, respectivamente.

Para melhor elucidar o comportamento dos interruptores, a Figura 21 mostra o sinal

gate-source dos dois interruptores do circuito.

Pode-se perceber que o sinal de Sr2 é sempre 50% enquanto o sinal de Sr1

pode mudar de 0% a 50%, conforme deseja-se ajustar o ganho. Essa característica é

muito importante para este conversor, uma vez que possibilita a mudança do ganho

através da mudança da razão cíclica, o que, conforme já foi discutido anteriormente,

não é comum em circuitos a capacitor chaveado.

As etapas de operação desse conversor, originalmente, permitem a

ressonância completa entre LR e CR, a fim de comutar os interruptores em ZCS

(Comutação em zero de corrente). O conversor foi testado com esse funcionamento,

porém, da maneira como foi anteriormente descrita, não é possível manter a

58

ondulação desejada na saída, pois ela apresenta sempre valores de ondulação muito

acima dos recomendados. Assim, essa condição não foi respeitada, perdendo o ZCS

dos interruptores, mas tornando possível a operação do conversor em uma região

onde a ondulação de corrente na saída resulta em valores abaixo do limite

recomendado.

Figura 21 – Razão cíclica dos interruptores Sr1 e Sr2 do conversor 2

Fonte: Autor

Durante a primeira etapa de operação, o interruptor Sr1 está comutado,

enquanto o interruptor Sr2 está em bloqueio. Dessa maneira, a fonte de tensão de

entrada está em série com o indutor LR, o capacitor CR e a saída, permitindo a

ressonância de LR e CR.

Figura 22 - Conversor ressonante - Etapa 1

Fonte: Autor

No momento em que o interruptor Sr1 entra em bloqueio, a corrente no indutor

LR necessita de um caminho para continuar conduzindo, uma vez que indutores

possuem inércia à variação de corrente. Sendo assim, a corrente continua circulando

através do diodo intrínseco do interruptor Sr2, conforme apresentado na Figura 23.

59


Fonte: Autor

Mesmo depois do interruptor Sr2 entrar em condução, a corrente do indutor

continuará circulando pelo diodo intrínseco do interruptor até diminuir e chegar ao

valor zero. Neste momento ela inverte de sinal e continua a circular pelo interruptor,

mas agora no sentido contrário (no sentido tradicional do interruptor – entre dreno e

fonte), passando a alimentar a saída. Essa etapa pode ser vista na Figura 24.


Fonte: Autor

Quando o interruptor Sr2 entrar em bloqueio, a corrente no indutor LR passa a

circular pelo diodo intrínseco do interruptor Sr1 e encontra caminho pelo capacitor de

filtro, posicionado após a ponte retificadora. Essa etapa ocorre por um pequeno

instante de tempo, apenas até a corrente no indutor voltar a ser zero. Depois disso, o

interruptor Sr1 entra em condução e a primeira etapa começa novamente.

5 METODOLOGIA DE PROJETO DOS CONVERSORES

Este capítulo apresenta a metodologia de projeto para cada um dos dois

conversores mostrados no capítulo 4. A fim de projetar os conversores, inicialmente é

necessário saber quais são os dados de entrada e os de saída a serem utilizados.

Como carga dos conversores, utilizou-se uma lâmpada LED tubular, conforme

a foto apresentada na Figura 25.

Figura 25 - Foto da lâmpada

Fonte: Autor

Pode-se perceber que a lâmpada é dividida ao meio, com um espaço (menor)

para os LEDs e um espaço (maior) onde deve ser inserido o circuito de acionamento.

Ao contrário das lâmpadas fluorescentes, nas lâmpadas LED tubulares o circuito de

acionamento é acoplado dentro do próprio tubo, aproveitando o espaço disponível e

tornando desnecessária a inclusão de outro produto para que a lâmpada seja

acionada.

A lâmpada possui um total de 96 LEDs, divididos em 6 braços com 16 LEDs

cada. No total a lâmpada funciona com 450 mA, sendo que cada braço recebe 75 mA.

O esquema elétrico de ligação dos LEDs é mostrado na Figura 26.

62

Figura 26 - Divisão dos LEDs na lâmpada

Fonte: Autor

O modelo elétrico da lâmpada foi testado experimentalmente, conforme

apresentado na Figura 27, considerando o ponto de operação em 450 mA.

Figura 27 - Dados para a aquisição do modelo da lâmpada

Fonte: Autor

A partir dos resultados obtidos, pode-se obter os dados para o modelo elétrico

da lâmpada, onde Rlamp = 14,12 Ω e Vlamp = 44,6 V. Com esses dados, criou-se a

linha em laranja, a qual apresenta resultados satisfatórios ao redor do ponto de

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55Co

rre

nte

na

lâm

pa

da

(m

A)

Tensão na lâmpada (V)

Lâmpada Modelo

63

operação onde a lâmpada será acionada, ou seja, 450 mA. O modelo elétrico da

lâmpada pode ser visto na Figura 28.

Figura 28 - Modelo elétrico da lâmpada LED tubular utilizada

Fonte: Autor

Para a entrada do sistema tem-se o sistema elétrico brasileiro e na saída tem-

se uma lâmpada LED tubular, os dados de entrada e saída do conversor são

apresentados na Tabela 4.

Tabela 4 - Dados de projeto para os conversores

Sigla Valor Unidade

Tensão eficaz de entrada Vin 220 V

Frequência da tensão de entrada fr 60 Hz

Tensão média de saída Vo 51 V

Corrente média de saída Io 450 mA

Potência de saída Po 23 W

Ondulação máxima de corrente de saída ΔIo 19,2% -

Frequência de comutação fs 100 kHz

Resistência do modelo elétrico da lâmpada Rlamp 14,12 Ω

Tensão de joelho do modelo elétrico da lâmpada Vlamp 44,6 V

Fonte: Autor

A seguir são apresentados os projetos dos conversores.

5.1 PROJETO DO CONVERSOR 1 – CDVF + CBCC

Este conversor possui apenas uma variável a ser projetada, a capacitância dos

5 capacitores chaveados, portanto foi desenvolvido um ábaco para o seu projeto.

64

O valor dos capacitores não vai interferir no ganho do circuito, que é de 0,2 (1/5,

devido ao uso de 5 células de capacitores), porém irá mudar o valor da ondulação de

corrente de saída, que é um parâmetro que deve ser observado a fim de não

ultrapassar o limite da norma.

Para projetar o conversor da forma mais real possível, a simulação contou com

variáveis intrínsecas dos componentes, como resistência intrínseca dos interruptores,

queda de tensão dos diodos, resistência dos capacitores, etc., conforme mostrado na

Tabela 5.

A partir de resultados de simulação, foi possível fazer uma comparação entre a

resposta do conversor com diversos valores de capacitâncias para os capacitores C1

a C5 (de 40 a 320 µF), conforme apresentado na Figura 29.

Tabela 5 - Parâmetros da simulação para análise do CDVF

Valor Unidade

Razão cíclica de Sv1 50% -

Razão cíclica de Sv2 50% -

Queda de tensão dos diodos da ponte retificadora 1 V

Queda de tensão dos diodos do CDVF 1,1 V

Capacitância dos diodos da ponte retificadora 15 pF

Capacitância dos diodos do CDVF 45 pF

Resistência série equivalente dos capacitores 580 mΩ

Capacitância entre dreno e source dos interruptores 110 pF

Resistência intrínseca dos interruptores 1 Ω

Fonte: Autor

65


Fonte: Autor

Pode-se perceber que, quanto maior for o valor da capacitância, maior é o nível

de corrente na saída, uma vez que os capacitores conseguem manter o nível de

tensão por mais tempo. Com esse aumento da tensão na saída, aumenta-se também

a corrente. Por esse mesmo motivo, quanto maior é a capacitância, menor é a

ondulação de corrente na saída, porém mesmo com capacitâncias elevadas, a

ondulação continua maior do que o valor mínimo necessário para atender as normas.

Outro problema que pode ser observado é que para o valor de capacitância a ser

utilizado em que a corrente na saída seria próxima a 450 mA (ou seja, com um

capacitor menor que 60 µF), a ondulação de corrente nos LEDs é maior que 120% -

mais de seis vezes o valor permitido.

Para solucionar esses problemas, foi integrado ao primeiro conversor, o

conversor básico de capacitor chaveado, conforme já explicado no Capítulo 4.

Recriando o gráfico mostrado na Figura 29, tem-se a Figura 30, obtida através de

simulação.

0

100

200

300

400

500

600

700

0

20

40

60

80

100

120

140

40 80 120 160 200 240 280 320

Corr

en

te m

éd

ia n

os L

ED

s (

mA

)

On

du

laçã

o d

e c

orr

en

te n

os L

ED

s

(%)

Capacitância (µF)

Ondulação de corrente nos LEDs Corrente média nos LEDs

66

Figura 30 - Análise da variação do capacitor C1 a C5 na corrente dos LEDs – CDVF + CBCC

Fonte: Autor

Para a criação da Figura 30 manteve-se a corrente média na saída sempre em

450 mA, através da variação da razão cíclica de Sb2. Pode-se perceber que, em

220 µF, a ondulação de corrente nos LEDs é 17,3% (inferior aos 19,2% da norma).

Por essa razão, utilizou-se para esse conversor capacitores de 220 µF, com 450 mA

na lâmpada e com razão cíclica em Sb2 de 0,25.

Assim, finaliza-se o projeto desse conversor.

5.2 PROJETO DO CONVERSOR 2

Para o projeto do conversor 2, há 3 variáveis em aberto: a razão cíclica do

interruptor Sr1, o valor da indutância LR e o valor da capacitância CR.

O capacitor CR foi assumido como tendo o mesmo valor do capacitor do

conversor 1, ou seja, 220 µF, enquanto a razão cíclica foi definida como sendo 25%,

a fim de possibilitar uma mesma variação para mais ou para menos, uma vez que a

razão cíclica do interruptor Sr1 pode variar de 0 a 50%. Assim, a partir de resultados

de simulação, variou-se o valor da frequência de ressonância (e, por conseguinte, a

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

40 80 120 160 200 240 280 320

Razã

o c

íclic

a d

e S

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On

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laçã

o d

e c

orr

en

te n

os L

ED

s

(%)

Capacitância (µF)

Ondulação de corrente nos LEDs Razão cíclica de Sb2

67

indutância LR), analisou-se o valor da corrente de saída e da variação da corrente de

saída, uma vez que esses devem ser, respectivamente: 450 mA e < 19,2%.

A Figura 31 mostra o comportamento das variáveis a partir da variação da

frequência de ressonância, sendo que CR = 220 µF e razão cíclica de Sr1 = 25%.

Figura 31 - Análise da corrente de saída e da ondulação de corrente de saída a partir da variação da frequência de ressonância

Fonte: Autor

Pode-se perceber que o conversor consegue atingir 450 mA na saída, porém

com uma ondulação de corrente nos LEDs superior ao desejado. Assim sendo,

procurou-se mudar a razão cíclica em cada ponto a fim de atingir a correta corrente

de saída e analisou-se a ondulação.

A Figura 32 mostra uma análise similar à da Figura 31, mas buscando-se

manter a corrente nos LEDs em 450 mA (a partir da variação da razão cíclica de Sr1)

e medir a ondulação nos LEDs, além do valor de razão cíclica em Sr1.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 On

du

laçã

o d

e c

orr

en

te n

a s

aíd

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(%)

Co

rre

nte

na

sa

ída

(A

)

Frequência de ressonância (Hz)

Corrente de saida (A) Ondulação de corrente na saída (%)

68

Figura 32 - Análise da ondulação de corrente nos LEDs e da razão cíclica de Sr1 através da variação da frequência de ressonância – com corrente nos LEDs = 450 mA

Fonte: Autor

Com base nas análises apresentadas, optou-se por utilizar uma frequência de

ressonância de 800 Hz, resultando em um indutor de 180 µH e ondulação de corrente

na saída de 8,6%.

Para essas análises foram utilizados resultados do programa de simulação

PSIM, sendo que os componentes utilizados na simulação são apresentados na

Tabela 6. Pode-se perceber que as não-linearidades dos componentes já foram

consideradas, uma vez que influenciam significantemente nos resultados finais.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 Razã

o c

íclic

a d

o in

terr

up

tor

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(%

)

On

du

laçã

o d

e c

orr

en

te n

a s

aíd

a

(%)

Frequência de ressonância (Hz)

Ondulação de corrente na saída (%) Razão cíclica de Sr1

69

Tabela 6 - Parâmetros da simulação para análise do CCCR

Não-linearidade Valor

Capacitor chaveado CR 220 µF

Indutor LR 180 µH

Capacitor do filtro de entrada 68 nF

Indutor do filtro de entrada 3 mH

Capacitor de saída 10 µF

Queda de tensão dos diodos da ponte retificadora 1,1 V

Capacitância paralela dos diodos da ponte retificadora 15 pF

Queda de tensão dos diodos do conversor 1,1 V

Capacitância paralela dos diodos do conversor 15 pF

Resistência série dos interruptores 0,48 Ω

Capacitância dreno-source dos interruptores 200 pF

Fonte: Autor

6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DE SIMULAÇÃO

Neste capítulo tão apresentados os principais resultados de simulação e

experimentais em relação aos dois conversores apresentados nos capítulos anteriores

e ao circuito de comando dos interruptores. Buscou-se comparar os resultados de

simulação, os resultados do osciloscópio e os do analisador de potência. Além disso,

são apresentados os resultados em comparação com as normas vigentes.

6.1 DADOS INICIAIS

O conversor foi projetado para os valores de entrada e saída conforme

mostrado na Tabela 7.

Tabela 7 - Parâmetros definidos para os conversores

Sigla Valor Unidade

Tensão eficaz de entrada Vin 220 V

Frequência da tensão de entrada fr 60 Hz

Tensão média de saída Vo 51 V V

Corrente média de saída Io 450 mA

Potência média de saída Po 23 W

Ondulação máxima de corrente de saída ΔIo 19,2% -

Frequência de comutação fs 100 kHz

Resistência do modelo elétrico da lâmpada Rlamp 14,12 Ω

Queda de tensão do modelo elétrico da lâmpada Vlamp 44,6 V

Fonte: Autor

72

6.2 CIRCUITO DE COMANDO E DE ALIMENTAÇÃO DO COMANDO

Para fazer o acionamento dos três interruptores presentes na primeira topologia

foi utilizado um microcontrolador. O circuito completo de alimentação pode ser visto

na Figura 33.

Figura 33 - Esquemático da placa de alimentação e comando dos interruptores

Fonte: Autor

O principal objetivo da placa é alimentar todos os circuitos a partir de uma

mesma fonte de alimentação de 15 V. Para isso, desenvolveu-se a primeira parte,

com a utilização de um regulador de tensão para alimentar a placa do microcontrolador

com 5 V.

Outro objetivo é a alimentação das três placas de gatilho (conectadas na

vertical) na Figura 37. Para isso foi utilizado o CI IR2153 chaveando a 50%, com a

parte positiva em 7,5 V e a parte negativa em -7,5 V. Depois disso o sinal (mostrado

na Figura 34) é aplicado em 3 transformadores, a fim de modificar o valor de 7,5 para

20 V.

73

Figura 34 - Sinal de saída do CI IR2153

Fonte: Autor

A razão para os três transformadores são as três placas utilizadas para

transformar o sinal do microcontrolador em um sinal com amplitude e potência

suficiente para o comando dos interruptores.

Após a sinal ser aplicado no transformador, tem-se a mesma forma de onda,

mas com amplitude maior, chegando a 20 V, conforme apresentado na Figura 35.

Figura 35 - Sinal de saída do CI IR2153 após amplificação do transformador

Fonte: Autor

Depois do transformador, adicionou-se uma ponte retificadora, a fim de

transformar a onda quadrada em um sinal contínuo, conforme mostrado na Figura 36.

Esse sinal é aplicado para a alimentação das placas auxiliares.

74

Figura 36 - Sinal de saída do CI IR2153 após amplificação do transformador e retificação

Fonte: Autor

Os componentes utilizados para a placa de alimentação podem ser vistos na

Tabela 8.

Tabela 8 – Componentes da placa de alimentação e comando

Sigla Valor Modelo

Resistores do divisor de tensão Rin1 Rin2 10 MΩ ¼ W

Capacitores do divisor de tensão Cin1 Cin2 220 µF 35 V

Regulador de tensão Reg 5 V RFTC09

Capacitor de entrada Ci 330 nF 63 V

Capacitor do µcontrolador Cuc 104 cerâmico

Circuito integrado CI - IR2153

Interruptores Q11 Q12 - IRFZ24N

Resistor Rtri 5,6 kΩ ¼ W

Capacitor Ctr 102 cerâmico

Potenciômetro Trim 10 kΩ

Capacitor Cci 103

Pontes retificadoras BAT54C BAT54A

Transformador T1 T2 T3 9/24 toroidal

Resistores de gate Ro1 Ro2 10 Ω ¼ W

Diodo Dal MUR160

Fonte: Autor

75

Foi necessário o desenvolvimento desta placa de alimentação uma vez que

tanto o microcontrolador quando cada uma das três placas do comando precisam de

uma alimentação de 5 V e 20 V, respectivamente. Quando tentou-se alimentar cada

uma das placas a partir de uma fonte de tensão, o ruído impossibilitou o correto

funcionamento do circuito.

Uma foto da placa de alimentação e de comando dos interruptores pode ser

vista na Figura 37.

Figura 37 - Foto da placa de comando dos interruptores

Fonte: Autor

A Figura 38 apresenta a saída dos três sinais de comando dos interruptores,

que operam conforme esperado, pode-se ver que o interruptor Sv1 (CH1) e o Sv2

(CH2) estão operando com 45% cada (seria 50%, mas foi deixado um tempo morto a

fim de evitar sobreposição).

Para o correto acionamento dos três interruptores, inicialmente foi desenvolvido

o código no microcontrolador (presente no Apêndice IV desta dissertação) e tinha-se

uma placa para cada saída do microcontrolador, cada uma delas acionada por uma

fonte de tensão independente. Devido aos problemas encontrados, buscou-se um

comando analógico para os interruptores, a fim de comprovar o funcionamento do

76

circuito de potência. Com o posterior funcionamento do circuito de potência, foi então

desenvolvida a placa de alimentação mostrada na Figura 37, na qual a partir de uma

única fonte de tensão alimenta-se o microcontrolador e as três placas de comando.

Figura 38 – Resultado experimental – Placa de comando – sinal de gatilho dos interruptores Sv1, Sv2 e Sb2, respectivamente: (CH1 – 25 V/div), (CH2 – 25 V/div) e (CH3 – 25 V/div) – 10 µs

Fonte: Autor

6.3 RESULTADOS EXPERIMENTAIS DO CONVERSOR 1 – CDVF + CBCC

Os componentes utilizados para a montagem do protótipo desse conversor

podem ser encontrados na Tabela 9.

A partir dos componentes projetados apresentados no capítulo anterior, foi

desenvolvida a PCB (Printed Circuit Board), que pode ser vista na Figura 39. Para o

filtro de entrada foi utilizado um indutor industrial com tamanho reduzido a fim de entrar

no interior da lâmpada.

77

Tabela 9 - Componentes do conversor 1

Sigla Valor Modelo

Diodos da ponte retificadora Dp1 a Dp4 - 1N4007

Diodos do conversor D5 a D16 - MUR160

Indutor do filtro de entrada Lf 3 mH -

Capacitor do filtro de entrada Cf 68 nF 630 V

Capacitores do CDVF C1 a C5 220 µF 100 V

Interruptores do CDVF Sv1 e Sv2 - IRFS740

Interruptor do CBCC Sb2 - IRFS740

Capacitor de saída Cb2 33 µF 200 V

Fonte: Autor

Figura 39 - Foto do circuito de potência do conversor 1

Fonte: Autor

A placa de testes apresentada na Figura 39 foi construída a fim de facilitar os

procedimentos de aquisição de dados, porém também foi desenvolvida uma placa

com o tamanho projetado para caber dentro da lâmpada. Mesmo que esta placa não

tenha sido confeccionada na prática, o seu projeto ainda no software pode ser visto

na Figura 40.

78

Figura 40 - Placa de potência do conversor 1 - design compatível com o espaço disponível na tubo LED

Fonte: Autor

Essa placa possui 35,4 cm de comprimento e 2 cm de largura, sendo que a

altura dos componentes na placa não ultrapassam a altura disponível na lâmpada

(todos os capacitores estão na horizontal). É válido ressaltar que foi desenvolvida

apenas a parte de potência, sem a parte de comando dos interruptores.

Para a simulação do circuito, a fim de verificar seu correto comportamento,

foram utilizadas as não-linearidades dos componentes, conforme Tabela 10.

Tabela 10 - Não-linearidades dos componentes do conversor 1




Queda de tensão dos diodos do conversor 1 V


ESR – Resistência série dos capacitores 0,58 Ω

Resistência série dos interruptores 1 Ω


Fonte: Autor

6.3.1 Resultados de entrada e saída – conversor 1

O resultado de simulação obtido é apresentado na Figura 41, onde são

mostradas a corrente e tensão da saída e a corrente e tensão da entrada.

79

Figura 41 - Resultado por simulação - conversor 1 - tensão de entrada (Vin/311 - azul), corrente de entrada (I(Lf) – ciano), tensão na lâmpada (Vo/200 - rosa) e corrente na lâmpada (I(Io) - verde) – 3,3 ms.

Fonte: Autor

Para comparação, os mesmos resultados apresentados na Figura 41 são vistos

na Figura 42, porém com resultados experimentais, a partir do osciloscópio.

Figura 42 - Resultado experimental - conversor 1 - tensão de entrada (CH1 – 250 V/div), corrente de entrada (CH2 – 1 A/div), tensão na lâmpada (CH3 – 25 V/div) e corrente na lâmpada (CH4 – 100 mA/div) - 4 ms

Fonte: Autor

80

Considerando que o osciloscópio não é o melhor equipamento para a análise

de valores de potência, os mesmos resultados foram adquiridos com a YOKOGAWA,

um equipamento analisador de potência, conforme apresentado na Figura 43.

A Tabela 11 foi desenvolvida a fim de comparar os resultados de simulação e

os experimentais, tanto do osciloscópio quanto do analisador de potência.

Figura 43 - Resultado experimental – conversor 1 – análise de potência – (a) Formas de onda de tensão e corrente na entrada e na saída e (b) valores de tensão e corrente na entrada e saída, com potências e rendimento

(a) (b)

Fonte: Autor

Tabela 11 - Comparação de resultados - conversor 1

Resultado Simulação Osciloscópio Analisador de

potência

Tensão eficaz de entrada 220 V 220 V 219,1 V

Corrente eficaz de entrada 213,4 mA -* 206,7 mA

Tensão média de saída 50,95 V 52,1 V 51,08 V

Corrente média de saída 450,3 mA 449 mA 450,3 mA

Potência de entrada 28,8 W - 28,4 W

Potência de saída 22,96 W 23,3 W 23,0 W

Rendimento 79,64% - 80,95%

Fonte: Autor (*o resultado do osciloscópio não está correto devido à baixa resolução do sinal)

81

Pode-se perceber que os valores nos três casos foram bastante similares, com

um erro muito pequeno. O valor de rendimento ficou relativamente baixo, sendo

80,9%, porém está de acordo com o resultado de simulação.

A origem das perdas do conversor são, em sua maioria, perdas nos

interruptores, conforme pode ser visto na Figura 44, produzida a partir dos resultados

de simulação.

Figura 44 - Gráfico de perdas do conversor 1 - análise por simulação

Fonte: Autor

6.3.2 Conversor 1 e as normas

Afim de analisar se o conversor está de acordo com a IEC61000-3-2, a Figura

45 apresenta a corrente de entrada com os valores dos ângulos de início e de final de

condução.

DIODOS1,28 W

23%

CAPACITORES1,56 W 28%

MOSFETs2,78 W

49%

82

Figura 45 - Conversor 1 – Resultado experimental - Forma de onda de corrente de entrada e norma IEC 61000-3-2

Fonte: Autor

Pode-se perceber que o conversor não está de acordo com a norma, pois a

corrente de entrada começa depois de 60º, todavia, em relação ao ângulo em que ela

acaba, está de acordo com a norma, pois está acabando em 109,5º e a norma impõe

que seja depois de 90º.

Esse conversor possui a característica de só começar a conduzir depois que a

tensão da rede é maior que a tensão dos capacitores e, dessa forma, a corrente de

entrada só pode ser modificada com a modificação dos capacitores ou outras variáveis

que não podem ser modificadas na topologia, como corrente de saída. A partir de

testes, verificou-se que a corrente de entrada melhora com o aumento do indutor do

filtro de entrada, porém o indutor torna-se muito maior do que o projetado, além de ser

volumoso e pesado, impossibilitando seu uso para esse conversor.

Esse conversor apresenta, ainda, problemas em relação ao fator de potência,

que está em 0,62, abaixo dos 0,7 definidos pela Portaria Nº 389 como limite mínimo.

Porém a sua característica de corrente de entrada é inerente à topologia, não havendo

uma forma simples de resolver o problema (desconsiderando aqui a possibilidade de

adicionar um outro conversor com essa finalidade).

Além dos ângulos de início e de final de condução da corrente de entrada, a

norma limita os níveis da terceira e da quinta harmônica em relação a fundamental,

conforme mostrado na Tabela 12.

83

Tabela 12 - Conversor 1 e a norma IEC 61000-3-2 – opção 1

Ordem da

harmônica

Percentual em relação

à fundamental (norma)

Percentual em relação à

fundamental (medido)

3 86% 85,02%

5 61% 68,34%

Fonte: Autor

A segunda opção dessa mesma norma é mostrada na Tabela 13.


Ordem da

harmônica

Máxima corrente

harmônica permitida

por Watt (mA/W)

Corrente medida

por Watt (mA/W)

3 3,4 5,66

5 1,9 4,55

7 1,0 3,13

9 0,5 1,70

11 0,35 0,58

13 0,29 0,24

15 0,25 0,48

17 0,22 0,45

19 0,20 0,20

21 0,18 0,056

23 0,16 0,14

25 0,15 0,16

27 0,14 0,079

29 0,13 0,006

31 0,12 0,091

33 0,11 0,108

35 0,11 0,078

37 0,10 0,021

39 0,09 0,057

Fonte: Autor

84

Os valores mostrados em vermelho são os que estão acima dos limites da

norma. Em ambas as opções da norma, o conversor não atende às especificações.

A fim de comprovar que o conversor possui menos de 19,2% de ondulação de

corrente de saída, tem-se o resultado demonstrado na Figura 46, no qual é analisada

somente a ondulação de baixa frequência.

Figura 46 - Resultado experimental - conversor 1 - tensão na lâmpada (CH3 – 25 V/div), corrente na lâmpada (CH4 – 100 mA/div) e medição da ondulação em baixa frequência - 4 ms.

Fonte: Autor

Conforme pode ser visto na imagem, a ondulação da corrente de saída em

baixa frequência está de acordo com a recomendação apresentada no Item 3.3. Com

aproximadamente 80 mA de variação, o percentual foi de 17,7%, abaixo dos 19,2%

limitados pela norma.

6.3.3 Outros resultados experimentais – conversor CDVF

A Figura 47 apresenta os resultados de tensão nos interruptores Sv1 e Sv2, e

também a corrente nos capacitores C1 e C5. Tanto o formato das ondas quanto os

valores encontrados estão de acordo com o esperado.

85

Figura 47 - Resultado experimental - conversor 1 - tensão no interruptor Sv1 (CH1 – 250 V/div), corrente no capacitor C1 (CH2 – 10 A/div), tensão no interruptor Sv2 (CH3 – 250 V/div) e corrente no capacitor C5 (CH4 – 10 A/div) – 4 ms

Fonte: Autor

Para melhor visualização do comportamento destas variáveis, a Figura 48

apresenta um zoom da Figura 47.

Figura 48 - Resultado experimental - conversor 1 - tensão no interruptor Sv1 (CH1 – 250 V/div), corrente no capacitor C1 (CH2 – 10 A/div), tensão no interruptor Sv2 (CH3 – 250 V/div) e corrente no capacitor C5 (CH4 – 10 A/div) – 4 µs - Zoom

Fonte: Autor

86

Pode-se perceber que as tensões nos interruptores se comportam de forma

complementar e que tem-se um alto pico de corrente nos capacitores no momento em

que estes são carregados.

Na Figura 49 são apresentadas as correntes e tensões nos capacitores C1 e

C5. Os valores de tensão são contínuos, aproximadamente em 56 V, conforme o

esperado.

Figura 49 - Resultado experimental - conversor 1 - tensão no capacitor C1 (CH1 – 100 V/div), corrente no capacitor C1 (CH2 – 10 A/div), tensão no capacitor C5 (CH3 – 250 V/div) e corrente no capacitor C5 (CH4 – 10 A/div) – 4 ms

Fonte: Autor

Pode-se perceber que os capacitores só apresentam corrente na metade de

cada semi-ciclo da rede, momento no qual a tensão da rede é superior à tensão dos

capacitores. Por essa razão, ocorre o problema na corrente de entrada.

6.4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS DO CONVERSOR 2 - CBCC

Neste item são apresentados os principais resultados de simulação e

experimentais do conversor 2, já apresentado anteriormente.

Os componentes utilizados na placa do conversor são apresentados na Tabela

14. Uma foto da placa do conversor é apresentada na Figura 50.

87

Para a simulação do conversor utilizando o software PSIM foram consideradas

as não-linearidades dos componentes conforme mostrado na Tabela 15.

Tabela 14 - Componentes do conversor 2

Sigla Valor Modelo

Diodos da ponte retificadora - - 1N4007

Diodos do conversor - - MUR160

Indutor do filtro de entrada Lf 3 mH EE 25/10/6

Capacitor do filtro de entrada Cf 68 nF 630 V

Capacitor CR 220 µF 200 V

Interruptores Sr1 e Sr2 - IRFS740

Indutor LR 180 µH EE 25/10/6

Capacitor de saída CoR 10 µF 200 V

Fonte: Autor

Figura 50 - Foto do conversor 2

Fonte: Autor

88

Tabela 15 - Não-linearidades dos componentes do conversor 2




Queda de tensão dos diodos do conversor 1,25 V


Resistência série dos interruptores 0,48 Ω


Fonte: Autor

6.4.1 Resultados de entrada e saída – conversor 2 - CBCC

Na Figura 51 são apresentadas as formas de onda por simulação da tensão e

da corrente da entrada e da saída do conversor. Os resultados experimentais, são

apresentados na sequência, na Figura 52.

Pode-se perceber que os resultados de simulação e experimentais estão

parecidos. Mesmo com as medidas do osciloscópio, o circuito foi testado com um

analisador de potência YOKOGAWA, visando medidas de valor médio e RMS mais

exatos. Os resultados do analisador de potência, tanto com as formas de onda, quanto

com os valores medidos são apresentados na Figura 53.

89

Figura 51 - Resultado por simulação - conversor 2 - tensão de entrada (Vin_1/311 - azul), corrente de entrada (Iin_1 – ciano), tensão na lâmpada (Vo_1/200 - rosa) e corrente na lâmpada (I(LED2) - verde) – 3,3 ms.

Fonte: Autor

Figura 52 - Resultado experimental - conversor 2 - tensão de entrada (CH1 – 250 V/div), corrente de entrada (CH2 – 1 A/div), tensão na lâmpada (CH3 – 10 V/div) e corrente na lâmpada (CH4 – 100 mA/div) - 4 ms.

Fonte: Autor

90

Figura 53 - Resultado experimental – conversor 2 – análise de potência – (a) Formas de onda de tensão e corrente na entrada e saída e (b) valores de tensão e corrente na entrada e saída, com potências e rendimento

(a) (b)

Fonte: Autor

A Tabela 16 apresenta os valores comparativos entre a simulação e os

resultados experimentais, tanto com o osciloscópio quanto com o analisador de

potência.

Tabela 16 - Comparação de resultados – Conversor 2 - CBCC

Resultado Simulação Osciloscópio Analisador de

potência

Tensão eficaz de entrada 220 V 220 V 220,5 V

Corrente eficaz de entrada 155,5 mA -* 160,8 mA

Tensão média de saída 50,9 V 51,4 V 51,2 V

Corrente média de saída 450,7 mA 450 mA 449,5 mA

Potência de entrada 25,64 W - 26,54 W

Potência de saída 22,97 W 23,13 W 23,03 W

Rendimento 88,55 % - 86,795 %

Fonte: Autor (*o resultado do osciloscópio não está correto devido à baixa amplitude do sinal)

A partir dos resultados obtidos, pode-se perceber que o conversor se

comportou conforme o esperado em simulação. O rendimento ainda poderia ser

91

melhorado. Para que o conversor atenda a norma IEC 61000-3-2 para menos de 25 W,

pode-se: aumentar o rendimento ou diminuir a corrente nos LEDs, a fim de diminuir,

assim, a potência de entrada do conversor.

6.4.2 Conversor 2 - CBCC e as normas

O fator de potência, medido como 0,74, está de acordo com a Portaria Nº 389.

Conforme apresentado no Item 3.3, a forma de onda de corrente de entrada

está dentro da norma, em relação a começar antes de 60º e acabar depois de 90º,

conforme mostrado na Figura 54.

Em relação aos limites da 3ª e da 5ª harmônicas, a Tabela 17 mostra que os

valores medidos são inferiores aos limites da norma.

Ainda, para comparar com a outra opção que a norma propõe, a Tabela 18

apresenta os valores encontrados para cada harmônica até a 39ª.

Figura 54 – Conversor 2 – Resultado experimental - Forma de onda de corrente de entrada e norma IEC 61000-3-2

Fonte: Autor

92


Ordem da

harmônica

Percentual em relação

à fundamental (norma)

Percentual em relação à

fundamental (medido)

3 86% 71,84%

5 61% 31,67%

Fonte: Autor


Ordem da

harmônica

Máxima corrente

harmônica permitida

por Watt (mA/W)

Corrente medida

por Watt (mA/W)

3 3,4 6,60

5 1,9 4,74

7 1,0 2,09

9 0,5 0,097

11 0,35 0,65

13 0,29 0,42

15 0,25 0,10

17 0,22 0,021

19 0,20 0,088

21 0,18 0,081

23 0,16 0,005

25 0,15 0,108

27 0,14 0,107

29 0,13 0,008

31 0,12 0,052

33 0,11 0,056

35 0,11 0,052

37 0,10 0,033

39 0,09 0,048

Fonte: Autor

93

Pode-se perceber que, em alguns pontos (salientados em vermelho), o

conversor não atende à norma. Para que o conversor esteja de acordo com a

IEC61000-3-2 é necessário que ele atenda apenas um dos requisitos e, como a parte

mostrada acima atendeu à norma, isso é suficiente para que o conversor seja

considerado de acordo com a norma.

Por fim, para que o conversor atenda às normas contidas no Item 3 deste texto,

a recomendação da IEEE especifica uma ondulação máxima da corrente de saída de

19,2%. Na Figura 55 é apresentada a medida da variação da tensão nos LEDs.

A medida de ondulação considera apenas a ondulação em baixa frequência,

desse modo, estimou-se na imagem os limites mínimos e máximos de ondulação e

chegou-se a uma oscilação de 80 mA, que, em comparação com o valor médio,

representa 17,7%.

Figura 55 - Resultado experimental - conversor 2 - tensão na lâmpada (CH3 – 25 V/div), corrente na lâmpada (CH4 – 100 mA/div) e medição da ondulação em baixa frequência - 4 ms.

Fonte: Autor

Assim, conclui-se que o conversor 2 apresenta todas as características

necessárias para estar de acordo com o exigido pelas normas vigentes. Porém, é

válido ressaltar, que a potência de saída resultou em um valor acima de 25 W, embora

as normas analisadas levam em consideração potência de entrada inferior a 25 W.

Por isso, um dos trabalhos futuros é buscar melhorias no rendimento e/ou modificar o

94

valor de corrente média na saída, a fim de diminuir a potência de saída e, portanto, a

potência de entrada.

6.4.3 Outros resultados experimentais – conversor 2 - CBCC

As formas de onda de tensão e corrente nos interruptores Sr1 e Sr2 são

apresentadas na Figura 56. Um zoom no pico das formas de onda é mostrado na

Figura 57, onde pode-se perceber o comportamento de cada uma das formas de

ondas.

Figura 56 - Resultado experimental - conversor 2 - tensão no interruptor Sr1 (CH1 – 250 V/div), corrente no interruptor Sr1 (CH2 – 10 A/div), tensão no interruptor Sr2 (CH3 – 250 V/div) e corrente no interruptor Sr2 (CH4 – 5 A/div) - 4 ms

Fonte: Autor

95

Figura 57 - Resultado experimental - conversor 2 - tensão no interruptor Sr1 (CH1 – 250 V/div), corrente no interruptor Sr1 (CH2 – 2 A/div), tensão no interruptor Sr2 (CH3 – 250 V/div) e corrente no interruptor Sr2 (CH4 – 2 A/div) - 4 µs - zoom

Fonte: Autor

Pode-se perceber que os interruptores não estão operando em ZCS, conforme

o esperado, uma vez que optou-se por não usar a frequência de ressonância maior

que a frequência de chaveamento.

Na Figura 58 é apresentada a tensão no capacitor, que se mantém em um valor

aproximadamente constante, além das correntes, já apresentadas, nos interruptores

Sr1 e Sr2.

96

Figura 58 - Resultado experimental - conversor 2 - tensão no capacitor CR (CH1 – 50 V/div), corrente no interruptor Sr1 (CH2 – 2 A/div) e corrente no interruptor Sr2 (CH4 – 2 A/div) - 4 ms

Fonte: Autor

Assim, são apresentados todos os resultados experimentais do conversor 2.

Pode-se perceber que ele funcionou adequadamente para o acionamento da lâmpada

LED tubular e comportou-se de maneira a atender todos os requisitos desejados.

6.4.4 Conversor 2 – CBCC operando com 20 W na saída

Afim de comprovar a correta operação do conversor 2, mesmo com potência

inferior ao projetado (potência de entrada inferior a 25 W), alguns testes foram feitos,

conforme apresentado a seguir.

Primeiramente, tem-se o resultado de tensão e corrente de entrada e de saída

mostrado na Figura 59. E, para a aquisição das potências, tem-se o resultado da

YOKOGAWA mostrado na Figura 60.

97

Figura 59 - Resultado experimental a 20 W - conversor 2 - tensão de entrada (CH1 – 250 V/div), corrente de entrada (CH2 – 500 mA/div), tensão na lâmpada (CH3 – 25 V/div) e corrente na lâmpada (CH4 – 100 mA/div) - 4 ms.

Fonte: Autor

Figura 60 - Resultado experimental a 20 W – conversor 2 – análise de potência – (a) Formas de onda de tensão e corrente na entrada e saída e (b) valores de tensão e corrente na entrada e saída, com potências e rendimento

(a) (b)

Fonte: Autor

A lâmpada apresenta corrente média nos LEDs de 400 mA, tensão nos LEDs

de 50,5 V resultando em uma potência de saída de aproximadamente 20,2 W.

Para a análise das potência, tem-se o resultado adquirido utilizando a

YOKOGAWA, onde o rendimento do circuito resulta em 85,6%, com potência de

entrada abaixo de 25 W, no caso: 23,6 W. O fator de potência medido está acima do

limite mínimo da norma (0,7), apresentando valor de 0,76.

Para a alteração da potência de saída da lâmpada, apenas diminuiu-se a razão

cíclica do interruptor Sr1, comprovando a possibilidade de mudança dos valores de

saída através da razão cíclica do interruptor, o que não é uma característica comum

em conversores a capacitor chaveado.

7 CONCLUSÕES

Esse trabalho apresenta conversores a capacitor chaveado para acionar uma

lâmpada LED tubular da maneira desejada. Um dos objetivos foi implementar

conversores onde a corrente nos LEDs possa ser comandada de acordo com a razão

cíclica de um dos interruptores, a fim de não depender apenas da topologia ou dos

componentes do circuito.

A partir de uma pesquisa pelos diferentes conversores utilizados com a técnica

de capacitor chaveado, analisando as vantagens e desvantagens das topologias que

visam a aplicação para iluminação interna, buscou-se por um volume de conversor

que possibilitasse a implementação do circuito de acionamento no interior do tubo,

conforme já é realizado comercialmente.

Dois conversores diferentes foram apresentados, sendo que o primeiro deles

é uma integração do conversor baseado na célula Valley-Fill com o conversor básico

a capacitor chaveado. Mesmo que ele tenha apresentado a correta ondulação de

corrente nos LEDs, em todos os outros quesitos das normas, ele não apresentou bons

resultados, devido à tensão presente nos capacitores C1 a C5. Além disso o conversor

possui um elevado número de componentes, com 16 diodos e 5 capacitores

chaveados.

No caso do segundo conversor apresentado, ele atingiu uma ondulação de

corrente na saída de acordo com o estipulado e, ainda, conseguiu se adequar a todas

as normas desejadas, apresentando 450 mA nos LEDs, 86,7% de rendimento e 17,7%

de ondulação na corrente de saída, além de atender às normas em relação à corrente

de entrada, com fator de potência de 0,74. Esse conversor possui um indutor em sua

composição, a fim de ressonar com o capacitor chaveado. Os resultados obtidos

foram satisfatórios e tiveram um comportamento conforme o esperado.

Esse estudo buscou pesquisar conversores a capacitor chaveado a fim de

analisar a possibilidade do seu uso nos circuitos de acionamento voltados para

iluminação. A grande maioria dos conversores a capacitor chaveado atualmente

propostos na literatura possuem um número elevado de interruptores, normalmente

porque são implementados na forma de CIs. Nesta dissertação foram apresentados 2

conversores que possuem 3 ou 2 interruptores, sendo mais viáveis para a aplicação.

Além disso, o segundo conversor se comportou conforme o requisitado pelas normas.

REFERÊNCIAS

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ZISSIS, Georges; BERTOLDI, Paolo. 2014 Update on the Status of LED market. 2014. .

APÊNDICE I

Trabalhos Futuros:

Análise dos conversores em relação à potência de entrada:

Uma vez que ambos os conversores estão com a potência de entrada maior

que 25 W, os conversores devem ser analisados em dois âmbitos: melhoria da

eficiência e/ou diminuição da potência de saída, a fim de que a potência de entrada

seja menor que 25 W, para que o conversor esteja sujeito à normas mais brandas.

Análise da eficiência dos conversores:

Uma vez que as fontes das perdas de potência dos conversores são

conhecidas, pode-se analisar maneiras de melhorar esta eficiência, a partir da

substituição de alguns componentes por outros com características intrínsecas

melhores, que visem diminuir as perdas indesejadas.

Busca por outros conversores:

Pesquisar por outros conversores que consigam suprir os LEDs com a tensão

e corrente corretas, além da máxima ondulação de corrente nos LEDs. Podem ser

estudados conversores com maior número de interruptores (que correspondem à

maioria dos conversores a capacitor chaveado), desde que seja reconstruído o circuito

de comando dos interruptores, para que seja possível o comando de mais

interruptores ao mesmo tempo.

Melhoria do projeto dos conversores:

Os conversores devem ter seu projeto melhorado, através de análise

matemática das variáveis. Pode-se criar ábacos em função de variáveis como

rendimento do conversor e variação da corrente nos LEDs, de maneira que seja

possível escolher quais os melhores valores de capacitores e indutores a serem

utilizados.

Controle das topologias:

Análise de um sistema de controle para os conversores, uma vez que ambos

podem ter seu ganho modificado em função da variação da razão cíclica. Inicialmente

se faz necessária a modelagem dos conversores e, após essa, o projeto de um circuito

de controle para a corrente de saída. O microcontrolador pode ser utilizado para o

controle, uma vez que já está sendo utilizado no circuito atual, não sendo necessário

o acréscimo de muitos componentes ao circuito, além do sensor de corrente.

APÊNDICE II

Artigos publicados no assunto da dissertação:

INDUSCON 2016:

“Comparative analysis among three switched capacitor converters to feed a

LED tubular lamp”

Priscila E. Bolzan, IEEE Member, Paulo C. V. Luz, Igor B. Barboza and Ricardo N.

do Prado, IEEE Member

DOI: 10.1109/INDUSCON.2016.7874505

ISIE 2017:

“Proposed Driver with Switched Capacitor to Supply an LED Tubular Lamp”

Priscila E. Bolzan, IEEE Member, Paulo C. V. Luz, Igor B. Barboza and Ricardo N.

do Prado, IEEE Member

Artigos aceitos (em revisão para versão final) no assunto da dissertação:

COBEP 2017:

“Switched capacitor converters with variable duty cycle to feed LED tubular

lamp”

Priscila E. Bolzan, Igor B. Barboza, Josué L. Putzke, Veridiane L. Rosa and Ricardo

N. do Prado

SEPOC 2017:

“Driver com capacitor chaveado para acionar lâmpada tubular de LEDs”

Josué L. Putzke, Priscila E. Bolzan, Igor B. Barboza e Ricardo N. do Prado

APÊNDICE III

Este apêndice apresenta as placas confeccionadas no decorrer do trabalho. Os

circuitos já foram apresentados no texto.

Primeiramente, uma comparação da placa de comando dos interruptores. Na

esquerda é apresentada a visão 3D da placa e à direita é apresentada a placa real,

depois de ter os componentes devidamente soldados.

A seguir tem-se o mesmo que nas imagens anteriores, porém para a placa do

conversor 1. Pode-se notar que na placa existem alguns componentes para o

comando analógico dos interruptores, mas essa parte não foi usada na última versão

dos testes e não está conectada em nada do circuito de potência, sendo

desconsiderada nos resultados experimentais utilizados na dissertação.

Da mesma maneira, abaixo encontram-se as fotos da placa do conversor 2. É

válido ressaltar que estas placas foram projetadas com o intuito de servirem para os

testes (pode-se notar a presença de jumpers para a medição de corrente, por

exemplo) e não para serem do tamanho necessário para caber dentro do lâmpada.

APÊNDICE IV

Código do microcontrolador utilizado para comandar os três interruptores do

conversor 1 (derivação do Valley-Fill).

// Standart libraries #include <stdint.h> #include <stdbool.h> #include "stdio.h" #include "stdlib.h" // Macros that define the interrupt assignment on Tiva devices #include "inc/hw_ints.h" // Macros defining the memory map of the Tiva device #include "inc/hw_memmap.h" //Defines common types and macros #include "inc/hw_types.h" // Defines and Macros for GPIO hardware #include "inc/hw_gpio.h" // Defines and Macros for System Control hardware #include "inc/hw_sysctl.h" // Defines and Macros for Timer hardware #include "inc/hw_timer.h" // Analog-to-Digital Converter Module #include "driverlib/adc.h" // Advanced Encryption Standard Module #include "driverlib/aes.h" // Controller Area Network Module #include "driverlib/can.h" // Analog Comparator Module #include "driverlib/comp.h" // Cyclic Redundancy Check Module #include "driverlib/crc.h" // DES Encryption Module #include "driverlib/des.h" // EEPROM Module #include "driverlib/eeprom.h" // Ethernet Controller #include "driverlib/emac.h" // External Peripheral Interface Module #include "driverlib/epi.h" // Flash Module #include "driverlib/flash.h" // Floatint Point Unit #include "driverlib/fpu.h" // General Pourpose Input Output Module #include "driverlib/gpio.h" //Hibernation Module #include "driverlib/hibernate.h" // Inter-Integrated Circuit Module #include "driverlib/i2c.h" // Interrupt Module #include "driverlib/interrupt.h" // LCD Module

#include "driverlib/lcd.h" // Memory Protection Unit #include "driverlib/mpu.h" // 1-Wire Master Module #include "driverlib/onewire.h" // Mapping of peripherals to pins #include "driverlib/pin_map.h" // Pulse Width Modulator Modulator #include "driverlib/pwm.h" // Quadrature Encoder Module #include "driverlib/qei.h" // ROM Functions #include "driverlib/rom.h" // Hashing Module #include "driverlib/shamd5.h" // Synchronous Serial Interface Module #include "driverlib/ssi.h" // Software Cyclic Redundancy Check Module #include "driverlib/sw_crc.h" // System Control Module #include "driverlib/sysctl.h" // System Exception Module #include "driverlib/sysexc.h" // SysTick Timer Module #include "driverlib/systick.h" // Timer Module #include "driverlib/timer.h" // Universal Asynchronous Receiver/Transmitter Module #include "driverlib/uart.h" // Micro Direct Memory Access Module #include "driverlib/udma.h" // Universal Serial Bus Module #include "driverlib/usb.h" // Watchdog Module #include "driverlib/watchdog.h" /* -----------------------------------------------------------------------------*/ /* Definitions /* -----------------------------------------------------------------------------*/ // Frequency of the PWM #define PWM_FREQUENCY 100000 /* -----------------------------------------------------------------------------*/ /* Variables /* -----------------------------------------------------------------------------*/ // PWM period (clock ticks) - inicializando em zero unsigned int PWM_PERIOD = 0; //Período unsigned int DB = 0; // Tempo morto dos interruptores /* -----------------------------------------------------------------------------*/ /* Main function /* -----------------------------------------------------------------------------*/ void main (void) /* -----------------------------------------------------------------------------*/ // CPU settings

/* -----------------------------------------------------------------------------*/ // Configure clock - 80 MHz - 200 MHz (PLL) / 2.5 SysCtlClockSet (SYSCTL_SYSDIV_2_5 | SYSCTL_USE_PLL | SYSCTL_XTAL_16MHZ | SYSCTL_OSC_MAIN); /* -----------------------------------------------------------------------------*/ // Configure output pins /* -----------------------------------------------------------------------------*/ // HABILITANDO COISAS SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_PWM0); // RESPONSÁVEL PELO GEN0 SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_PWM1); // RESPONSÁVEL PELO GEN3 SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOB); // PORTA B SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOF); // PORTA F //CONFIGURAR PB6 COMO SAÍDA PWM GPIOPinTypePWM (GPIO_PORTB_BASE, GPIO_PIN_6); GPIOPinConfigure (GPIO_PB6_M0PWM0); //CONFIGURAR PB7 COMO SAÍDA PWM GPIOPinTypePWM (GPIO_PORTB_BASE, GPIO_PIN_7); GPIOPinConfigure (GPIO_PB7_M0PWM1); //CONFIGURAR PF3 COMO SAÍDA PWM GPIOPinTypePWM (GPIO_PORTF_BASE, GPIO_PIN_3); GPIOPinConfigure (GPIO_PF3_M1PWM7); /* -----------------------------------------------------------------------------*/ // CONFIGURANDO OS PWMs /* -----------------------------------------------------------------------------*/ // CALCULANDO O PERÍODO PWM_PERIOD = (SysCtlClockGet () / PWM_FREQUENCY) - 1; //Tempo morto 5% DB = PWM_PERIOD * 5/100; //Configure PWM Options PWMGenConfigure (PWM0_BASE, PWM_GEN_0, PWM_GEN_MODE_UP_DOWN | PWM_GEN_MODE_DBG_RUN ); PWMGenConfigure (PWM1_BASE, PWM_GEN_3, PWM_GEN_MODE_UP_DOWN | PWM_GEN_MODE_DBG_RUN ); //Set the Period (expressed in clock ticks) PWMGenPeriodSet (PWM0_BASE, PWM_GEN_0, PWM_PERIOD); PWMGenPeriodSet (PWM1_BASE, PWM_GEN_3, PWM_PERIOD); //SETANDO A RAZÃO CÍCLICA PWMPulseWidthSet (PWM0_BASE, PWM_OUT_0, PWM_PERIOD / 2); PWMPulseWidthSet (PWM1_BASE, PWM_OUT_7, PWM_PERIOD * 0.1); //DeadBand PWMDeadBandEnable(PWM0_BASE, PWM_GEN_0, DB, DB); //AQUI ACONTECE O SINCRONISMO PWMSyncTimeBase(PWM0_BASE, PWM_GEN_0_BIT | PWM_GEN_3_BIT); PWMSyncUpdate(PWM0_BASE, PWM_GEN_0_BIT | PWM_GEN_3_BIT);

// Turn on the output pins PWMOutputState (PWM0_BASE, PWM_OUT_0_BIT | PWM_OUT_1_BIT , true); PWMOutputState (PWM1_BASE, PWM_OUT_7_BIT, true); // Enable the PWM generator PWMGenEnable (PWM0_BASE, PWM_GEN_0); PWMGenEnable (PWM1_BASE, PWM_GEN_3); PWMOutputState(PWM0_BASE, (PWM_OUT_0_BIT | PWM_OUT_1_BIT), true); PWMOutputState(PWM1_BASE, PWM_OUT_7_BIT, true); /* -----------------------------------------------------------------------------*/ // Main loop /* -----------------------------------------------------------------------------*/ while (1) /* -----------------------------------------------------------------------------*/

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Priscila Ertmann Bolzan - UFSM