6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DE SIMULAÇÃO
6.4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS DO CONVERSOR 2 CBCC
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.
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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.
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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”
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"
#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);
// 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) { } } /* ---*/