Carregador de Bateria Bidirecional Utilizando os Conversores Flyback e Forward

Ponta, a bateria pode ser carregada através da rede elétrica durante a noite, onde a demanda é menor, juntamente com o funcionamento dos LEDs. Para o circuito aplicado ao sistema de iluminação de emergência distribuída apresentado na Figura 2.19, a rede alimenta somente a bateria que, posteriormente alimenta os LEDs através de outro enrolamento. Caso fosse necessário alimentar os LEDs também pela rede elétrica, enquanto a bateria é recarregada, este circuito não poderia ser aplicado, pois os enrolamentos Lp e LLEDs possuem a mesma polaridade.

Por isso, a aplicação dos conversores Flyback e Forward como conversores bidirecionais exige atenção em alguns aspectos. A seguir, é realizada uma análise de quatro possibilidades de utilização destes dois conversores, mostradas na Figura 2.20. A análise é feita para os conversores Forward e Flyback com duas saídas, uma para alimentar os LEDs e outra para carregar a bateria através da rede elétrica. Porém, quando necessário, a bateria deve fornecer energia aos LEDs utilizando o mesmo transformador (no caso do conversor

Forward) ou o mesmo par de indutores acoplados (para o caso do conversor Flyback).

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 2.20 – Carregadores bidirecionais empregando os conversores Flyback e Forward: (a) conversor Flyback com duas saídas; (b) conversor Forward com duas saídas; (c) e (d) combinação entre os conversores Flyback e

A primeira análise é feita para o conversor Flyback com duas saídas, mostrado na Figura 2.20 (a). Quando a rede alimenta o circuito, os dois enrolamentos secundários (LLEDs e

Lbat) devem ter polaridades contrárias ao primário (LP), conforme exige o funcionamento do conversor Flyback. Quando a bateria alimenta os LEDs, o enrolamento secundário Lbat deve funcionar como primário. Para isso, o interruptor M2 comutado em alta frequência aplica a tensão da bateria ao enrolamento Lbat. Porém, a polaridade do enrolamento Lbat é igual à do enrolamento LLEDs o que impede seu funcionamento como um conversor do tipo Flyback. Mesmo assim, se a tensão da bateria fosse aplicada ao enrolamento Lbat, esta tensão seria refletida ao enrolamento LLEDs de acordo com a relação de espiras. Com isso, a saída do conversor teria característica de fonte de tensão. Como o LED diretamente polarizado também apresenta a característica de fonte de tensão, conforme seu modelo elétrico mostrado na Figura 1.6, a saída deste conversor não limita a corrente nos LEDs o que poderia danificá-los. O diodo em série com LP tem a função de bloquear a corrente quando a bateria alimenta os LEDs, uma vez que a tensão da bateria aplicada ao enrolamento Lbat é refletida ao LP em sentido contrário à fonte de entrada.

O circuito apresentado na Figura 2.20 (b) é composto por duas saídas características do conversor Forward. Portanto, a polaridade do enrolamento primário LP deve ser igual a dos enrolamentos secundários LLEDs e Lbat. Assim, quando o interruptor M1 está em condução, a tensão do barramento é aplicada ao enrolamento primário e refletida aos secundários. Quando a bateria alimenta os LEDs, um interruptor M2 aplica a tensão da bateria ao enrolamento Lbat, que neste momento opera como um enrolamento primário. Como a polaridade deste enrolamento é igual à polaridade do enrolamento LLEDs, o conversor opera normalmente como um conversor Forward. O diodo em série com o interruptor M2 é necessário para bloquear o diodo intrínseco do interruptor, que deve permanecer bloqueado quando a bateria está carregando. Além disso, um enrolamento para desmagnetização no transformador deve ser empregado. O diodo em série com LP tem a função de bloquear a

corrente quando a bateria alimenta os LEDs, uma vez que a tensão da bateria aplicada ao enrolamento Lbat é refletida ao LP em sentido contrário à fonte de entrada.

Na Figura 2.20 (c), o conversor apresenta uma saída característica do conversor

Flyback para alimentar os LEDs e uma saída característica do conversor Forward para

carregar a bateria. Para isso, a polaridade do enrolamento LLEDs deve ser contrária ao primário

LP enquanto o enrolamento Lbat deve ter a mesma polaridade de LP. Então, quando a bateria alimenta os LEDs, a tensão da bateria é aplicada ao enrolamento Lbat através do interruptor

opera normalmente como um conversor Flyback. Assim como no circuito da Figura 2.20 (b), um diodo deve ser conectado em série com M2 para bloquear o diodo intrínseco do interruptor, bem como, um diodo em série com LP deve ser acrescentado. O enrolamento de desmagnetização não é necessário para este circuito, pois a desmagnetização do núcleo é feita pelo enrolamento LLEDs.

Na Figura 2.20 (d), a saída característica do conversor Flyback é aplicada à carga da bateria, enquanto a saída característica do conversor Forward alimenta os LEDs a partir da rede. Para operar desta maneira, as polaridades dos enrolamentos LP e LLEDs devem ser iguais, enquanto as polaridades dos enrolamentos LP e Lbat devem ser contrárias. Porém, para a bateria alimentar os LEDs, os enrolamentos Lbat e LLEDs deveriam ter a mesma polaridade, o que não acontece. Assim, enquanto o interruptor M2 estiver em condução, a tensão da bateria é aplicada ao enrolamento Lbat e o indutor de filtro da corrente de saída deve manter a corrente nos LEDs. Porém quando o interruptor é bloqueado, a energia armazenada nos indutores acoplados deve descarregar através do enrolamento LLEDs. Neste instante, tanto o enrolamento

LLEDs quanto o do indutor de filtro de saída operam como fontes de corrente em série. Portanto, este circuito não funciona adequadamente.

Os circuitos apresentados na Figura 2.20 (a) e Figura 2.20 (d) podem operar corretamente desde que a bateria alimente os LEDs através de um enrolamento auxiliar e não através de Lbat. Desta maneira, há um grau de liberdade na polaridade dos enrolamentos. A Figura 2.21 mostra os dois circuitos modificados.

Na Figura 2.21 (a), um enrolamento auxiliar (Laux) com polaridade contrária à do enrolamento LLEDS é acrescentado. Assim, o circuito pode alimentar os LEDs através da bateria operando como um conversor Flyback. No entanto, o enrolamento Lbat deve ser bloqueado enquanto a bateria alimenta o circuito, para que este enrolamento não se torne um secundário deste conversor Flyback, circulando energia via bateria sem necessidade. Da mesma maneira, um diodo em série com Laux evita que circule corrente pela bateria através do diodo intrínseco no interruptor. Este diodo ficaria diretamente polarizado caso a tensão refletida do enrolamento LP ao Laux,quando a rede alimenta o circuito, fosse superior à tensão da bateria.

Na Figura 2.21 (b), o enrolamento auxiliar deve ter a mesma polaridade do enrolamento LLEDs, uma vez que a saída que alimenta os LEDs tem a característica de um conversor Forward. Pelo mesmo motivo do circuito da Figura 2.21 (a), um diodo em série com Laux e um interruptor (S1) em série com Lbat devem ser acrescentados. Para ambos os casos, este diodo e interruptor podem ser substituídos por um relé com um contato

normalmente aberto e outro normalmente fechado, como mostra a Figura 2.22. Assim, um contato pode ser utilizado para conectar a bateria ao enrolamento Lbat e o outro contato ao enrolamento Laux.

Então, os conversores Flyback e Forward, e suas combinações, podem ser empregados em um sistema de iluminação pública para alimentação de LEDs através da rede elétrica ou por baterias. Com estes conversores é possível implementar o estágio de controle da corrente nos LEDs (driver), o estágio de recarga da bateria, além do estágio responsável pela alimentação dos LEDs através da bateria quando necessário, conforme a representação feita na Figura 2.1.

A relação de transformação do elemento magnético pode ser útil para adequar o valor de tensão da rede ao valor de tensão da bateria, assim como o valor de tensão da bateria ao valor da tensão da luminária composta por LEDs, uma vez que estes conversores operam como abaixadores ou elevadores de tensão. A isolação elétrica proporcionada por estes conversores pode ser vista como outra vantagem.

(a)

(b)

Figura 2.21 – Modificação dos carregadores bidirecionais empregando os conversores (a) Flyback e (b)

(a)

(b)

Figura 2.22 – Carregadores bidirecionais modificados utilizando um relé NA-NF: (a) conversor Flyback; (b) conversor Forward.