DRIVERS ATIVOS DE ALTA FREQUÊNCIA

Os drivers com conversores CC-CC são os mais utilizados em luminárias LED comerciais.

A Figura 2.7 mostra a estrutura básica de um driver ativo de alta frequência (maior que 25 kHz) que contém estágios de correção do fator de potência e de controle da corrente nos LEDs.

Figura 2.7: Estrutura básica de um driver ativo de alta frequência para acionamento de LEDs (RODRIGUES,2012).

Na entrada do circuito mostrado na Figura 2.7 pode ser observado um estágio contendo um filtro de linha (Filtro EMI – Filtro de Interferência Eletromagnética) para limitar a interferência conduzida e um estágio retificador, que consiste em uma ponte retificadora de diodos.

Para se evitar que correntes harmônicas sejam injetadas na rede, causando problemas relacionados à qualidade de energia, é inserido um estágio de correção de fator de potência (PFC, do inglês Power Factor Correction). Os conversores estáticos são muito utilizados para a correção do fator de potência de diversos tipos de carga (GARCIA et al., 2003). Para a realização desta tarefa os conversores podem operar no modo de condução contínua (MCC) ou no modo de condução descontínua (MCD). Circuitos passivos também podem ser utilizados para correção de fator de potência, sendo formados geralmente por filtros passa- baixa empregando capacitores, indutores e resistores.

As topologias utilizadas no estágio dos conversores principais nos drivers de LEDs geralmente são derivadas dos seis conversores CC-CC não isolados básicos (buck, boost,

buck-boost, Ćuk, SEPIC e zeta), dos conversores isolados típicos (flyback, forward, push-pull,

Ćuk isolado, SEPIC isolado, zeta isolado), ou dos conversores ressonantes isolados (half-

bridge, full-bridge, forward ressonante, etc.).

O controle da corrente de saída destes conversores (corrente nos LEDs) tem a função de fazer com que a corrente média permaneça constante, mesmo que ocorram variações na tensão da rede de energia elétrica, nas características da carga ou do conversor. O controle também pode ser utilizado para variar do fluxo luminoso emitido pelos LEDs (dimerização), situação que exige alteração do valor da corrente.

Como exemplo, a Figura 2.8 (a) mostra um driver ativo que emprega um conversor

buck-boost como estágio de correção de fator de potência (PFC) operando em modo de

condução descontínua, ou seja, PFC seguidor de tensão (ALMEIDA et al., 2012b). Pode ser notado que o circuito de controle tem como objetivo variar a razão cíclica do conversor buck-

boost (e assim a tensão de saída) a fim de obter uma tensão mínima nos terminais dos

equalizadores para a operação linear e regulação da corrente. A saída do driver possui quatro equalizadores como os da Figura 2.8 (b), que atuam como fonte de corrente que mantém a corrente equilibrada nos arranjos (em inglês, strings) de LEDs.

Figura 2.8: (a) Driver ativo com conversor buck-boost proposto para acionamento de LEDs e (b) circuito do equalizador de corrente (ALMEIDA et al., 2012b).

O conversor PFC do tipo boost operando em modo MCD (modo de condução descontínuo), mostrado na Figura 2.9, também pode ser utilizado para acionar uma luminária LED de iluminação pública.

Figura 2.9: Conversor boost utilizado para acionar uma luminária LED (SOARES, 2012b).

Nesse caso, já que os sistemas de iluminação pública fornecem uma tensão de alimentação de 220 V eficazes, se faz necessário que a tensão no arranjo de LEDs seja compatível com a tensão de pico da rede (311V) para que a corrente média na entrada do conversor se aproxime da forma de uma senóide pura, o que levaria esse driver a alcançar um elevado fator de potência. Além disso a corrente que passa pelo diodo boost é pulsada. Logo, é necessário utilizar um capacitor com uma elevada capacitância na saída do circuito, a fim de reduzir a ondulação de corrente na carga.

As formas de onda na entrada do conversor boost comutado em alta frequência alimentando um arranjo de LEDs são mostradas na Figura 2.10.

Figura 2.10: Tensão de entrada (azul) e 30 x corrente de entrada (vermelho) de um conversor boost acionando um arranjo de LEDs (SOARES, 2012b).

Uma alternativa aos conversores apresentados nas Figuras 2.8 e 2.9 é a utilização dos conversores de quarta ordem (Ćuk, SEPIC, Zeta) que possuem excelente característica para correção de fator de potência, boa dinâmica e possibilidade de redução das capacitâncias de filtragem. O conversor Ćuk mostrado na Figura 2.11 apresenta uma corrente de saída contínua, além de seu interruptor ser aterrado, facilitando seu disparo. Estas características fazem do conversor Ćuk uma boa topologia de estágio único para acionamento de LEDs de potência.

Figura 2.11: Conversor Ćuk utilizado para acionar uma luminária LED (SOARES, 2012b).

As formas de onda típicas de um conversor Ćuk em modo de condução descontínua alimentando um arranjo de LEDs é mostrado nas Figura 2.12 (‘a’ e ‘b’)

(a) (b)

Figura 2.12: Conversor Ćuk em DCM como driver de uma luminária LED: (a) tensão e corrente na entrada e (b) tensão e corrente nos LEDs (SOARES, 2012b).

Topologias em cascata ou integradas também são utilizadas em drivers para LEDs, sendo o estágio de entrada responsável pela correção do fator de potência e o estágio de saída responsável pelo controle de potência na carga. Além disso, podem ser projetados de forma a se evitar capacitores eletrolíticos. Por outro lado, esses conversores são complexos e utilizam um grande número de componentes. Nesses conversores, a eficiência global se torna o produto das eficiências de cada estágio, o que pode acarretar em eficiências menores do que conversores de estágio único (ALMEIDA, 2014).

Entre os drivers de alta frequência, também podem ser citadas as topologias com comutação suave (TOROK et al., 2011 e ARIAS et al.,2012). Estes circuitos possuem elevado rendimento, reduzido aquecimento dos componentes de potência e menor volume devido a elevada frequência de comutação (ALMEIDA, 2014). No entanto, são circuitos mais complexos que os demais conversores comentados anteriormente.

Outras topologias para drivers ativos de alta frequência podem ser vistas em (ALMEIDA et al., 2015; ALONSO et al., 2012b; CHIU et al., 2010; HSIEH et al., 2011; SCHUCH et al., 2011; SOARES et al., 2012a; YU & YANG, 2009).