Princípio de Funcionamento do Conversor Flyback-Flyback Integrado

As etapas de operação do conversor Flyback-Flyback integrado alimentado pela rede elétrica são apresentadas na Figura 3.13 (a) e na Figura 3.13 (b). Na Figura 3.13 (a), o interruptor M está em condução. Assim, a tensão do barramento é aplicada ao enrolamento primário LP. Considerando a tensão de barramento maior que a da bateria, o diodo DP_bat fica reversamente polarizado e impede que a bateria alimente o circuito. Nesta etapa, os capacitores de saída mantêm a corrente nos LEDs e na carga da bateria. Na Figura 3.13 (b), o interruptor está bloqueado e o diodo DP_bat permanece reversamente polarizado. Então, a energia armazenada na primeira etapa é transferida aos LEDs e à bateria através dos enrolamentos secundários. Isto se o interruptor S1 estiver conduzindo, caso contrário, somente os LEDs são alimentados.

(a)

(b)

(c)

(d)

As etapas de operação para o circuito alimentado pela bateria são mostradas na Figura 3.13 (c) e Figura 3.13 (d). Como a rede é desconectada do circuito, o diodo DP_bat entra em condução. Na Figura 3.13 (c), o interruptor está conduzindo e a tensão da bateria é aplicada ao enrolamento primário. Para que a bateria não seja carregada novamente, o enrolamento secundário (Lbat) deve permanecer desconectado. O capacitor de saída mantém a corrente nos LEDs. Na Figura 3.13 (d), o interruptor está bloqueado e a energia é transferida para os LEDs através do enrolamento secundário LLEDs.

Embora esta integração utilize uma célula de sobrecorrente, a corrente no interruptor compartilhado não será a soma das duas etapas de operação, mas sim a maior delas, pois o circuito ora opera alimentado pela rede elétrica, ora pela bateria. Da mesma forma, não há característica de sobretensão no interruptor compartilhado para esta integração.

De acordo com a análise abordada na Seção 2.2 , quanto menor a tensão da fonte de alimentação, maior é a corrente necessária para manter a potência na carga. Por isso, o valor médio da corrente fornecida pela bateria para alimentar o enrolamento primário do conversor

Flyback pode ser alta, dependendo do valor da potência da carga. Esta corrente circula pelo

enrolamento primário através de um diodo, resultante do processo de integração. O valor médio desta corrente, multiplicada pela tensão de condução do diodo, representa a potência dissipada neste semicondutor.

Conforme a Tabela 2.5, a corrente média na entrada do conversor quando a bateria alimenta a luminária especificada é de 1,6 A para o banco de baterias de 48 V. Assim, considerando como exemplo a aplicação de um diodo MUR440 (4 A / 400 V), que possui uma tensão de condução de 850 mV para este valor de corrente, a potência dissipada neste componente será de 1,36 W, o que representa 2% da potência da luminária. Além disso, a tensão do diodo reduz a tensão aplicada pela bateria ao enrolamento primário, o que é significativo principalmente se um banco de baterias com tensão menor for empregado.

Então, uma alternativa para reduzir a potência dissipada e aumentar a eficiência da topologia, é substituir os dois diodos resultantes do processo de integração por um relé do tipo Um Polo Duas Posições (Single Pole Double Throw, SPDT), como mostrado na Figura 3.14. Este tipo de relé apresenta um contato normalmente fechado (NF) e um contato normalmente aberto (NA). Assim, o conversor Flyback é alimentado ora pela rede, ora pela bateria.

Figura 3.14 – Conversor Flyback-Flyback integrado empregando um relé SPDT.

A resistência máxima do contato para um modelo padrão de relé (A1RC2) é de 50 m. Então, a potência dissipada no contato do relé quando a bateria alimenta o circuito é de aproximadamente 128 mW. A tensão de acionamento do relé é de 12 V e a corrente nominal da bobina é 40 mA. Assim, a potência dissipada devido ao acionamento do relé é de 480 mW e a potência total dissipada neste componente é de aproximadamente 608 mW, valor inferior à do diodo analisado anteriormente. Além disso, a queda de tensão provocada pelo contato do relé ao enrolamento primário é de apenas 80 mV. Por isso, a utilização de um relé em substituição aos diodos é interessante principalmente se um banco de baterias com tensão de 12 V for empregado.

De acordo com o fabricante, o relé tem sua vida útil classificada em vida mecânica e vida elétrica. A vida mecânica considera apenas o desgaste devido ao movimento dos contatos assumindo que não há corrente circulando pelos terminais do relé. Por outro lado, a vida elétrica considera o desgaste dos contatos quando a comutação é feita com o circuito energizado. Esta diferença ocorre porque a corrente, quando interrompida, provoca um arco elétrico entre os terminais dos contatos aumentando a resistência rapidamente, o que reduz sua vida útil.

Em ambos os casos, a vida útil é especificada pela quantidade de ciclos. Um ciclo é considerado como a ação de abrir e fechar um contato. A vida mecânica do relé A1RC2 é 107 ciclos, enquanto sua vida elétrica é 105 ciclos. Então, para a aplicação em iluminação pública sem consumo durante o Horário de Ponta, este relé terá em média um ciclo por dia e sua vida útil não prejudicará o sistema de iluminação.

Por outro lado, um detalhe importante para a aplicação de relés nestes conversores é a especificação da tensão máxima permitida aos contatos. Geralmente, os relés de baixo custo são especificados para 250 VCA. Esta é a tensão máxima que pode ser aplicada aos contatos

para seu funcionamento com carga, ou seja, quando há circulação de corrente. Como citado anteriormente, a abertura ou o fechamento dos contatos energizados causa um arco elétrico entre seus terminais e, por isso, é especificada uma tensão e corrente máxima de comutação. No entanto, se a comutação for realizada com os contatos desenergizados, a tensão máxima por eles suportada pode chegar a 1.000 V, classificada como rigidez dielétrica entre contatos abertos.

Então, quando uma tensão contínua superior a 250 V é aplicada aos terminais do relé, como geralmente acontece em conversores CC-CC alimentados através da rede elétrica, a comutação dos relés deve ser realizada com zero de corrente (Zero-Current Switching, ZCS), garantindo a abertura e o fechamento dos contatos. Isto pode ser implementado no circuito da Figura 3.14 desabilitando o comando do interruptor M por alguns instantes, enquanto ocorre a comutação do relé em ZCS.

CIRCUITOS ELETRÔNICOS APLICADOS A

ILUMINAÇÃO PÚBLICA EMPREGANDO LEDS

No diagrama de blocos da Figura 2.1, quatro estágios compõem um sistema de iluminação pública empregando LEDs alimentados pela rede elétrica ou por baterias. No entanto, após o estudo sobre cada estágio e sobre uma metodologia para integração destes estágios, o sistema de iluminação pode ser simplificado, como mostra a Figura 4.1. A combinação entre os diversos conversores CC-CC disponíveis na literatura permite que uma família de topologias seja proposta.

Figura 4.1 –Diagrama de blocos para um sistema de iluminação pública alimentado através da rede elétrica e através de baterias empregando conversores bidirecionais integrados ao estágio PFC.

Para analisar o comportamento destas topologias, principalmente com relação ao fator de potência, limite do conteúdo harmônico da corrente de entrada, tensão e corrente aos quais os componentes são submetidos e eficiência do circuito eletrônico, cada topologia proposta foi projetada, simulada e implementada. Neste capítulo, são descritos o princípio de funcionamento dos circuitos eletrônicos, juntamente com a metodologia de projeto proposta, seus resultados experimentais e uma análise geral sobre suas características.

O projeto das topologias segue as especificações da Tabela 4.1. A luminária é composta por 30 LEDs do tipo Philips Luxeon Rebel LXML-PWC1-0100 conectados em série e alimentados com 700 mA, como especificado na Seção 2.1.1 . Para este valor de corrente, o fabricante informa que a tensão de condução de cada LED pode chegar a 3,4 V (Luxeon, 2008). Então, a tensão máxima na luminária é especificada em 102 VCC e a potência

máxima de saída em 71,4 W. A tensão eficaz de alimentação do circuito através da rede elétrica é de 220 VRMS. O banco de baterias é composto por quatro baterias de 12 V

conectadas em série, como abordado na Seção 2.2.1. Portanto, a tensão nominal de entrada do circuito quando alimentado pelas baterias é de 48 V. Para maior precisão nos resultados, a tensão no interruptor foi considerada igual a 1 V, valor equivalente ao apresentado na Figura 2.10 para um banco de baterias com 48 V.

Todas as topologias utilizam um circuito retificador de onda completa, composto por quatro diodos (D1-D4), em conjunto com um filtro LC (Lf e Cf), responsável por filtrar as componentes harmônicas de alta frequência do lado do conversor para a rede. Estes elementos foram substituídos nas figuras das topologias por uma fonte de tensão Vret.

Tabela 4.1 – Características Especificadas para o Projeto das Topologias Propostas

Características do Sistema Proposto Alimentado pela Rede

Tensão Eficaz da Rede Elétrica Vin_RMS 220 V

Tensão de Pico da Rede Elétrica Vin_pk 311 V

Frequência da Rede fR 60 Hz

Número de LEDsna luminária 30 Tensão Mínima nos LEDs VLEDs_mín 90,6 VCC

Tensão Máxima nos LEDs VLEDs_máx 102 VCC

Corrente Nominal nos LEDs ILEDs 700 mA

Rendimento Estimado para as Topologias η 90%

Características do Sistema Proposto Alimentado pelas Baterias

Número de Baterias 4

Tensão Mínima do Banco de Baterias Vbat_mín 42 VCC

Tensão Nominal do Banco de Baterias Vbat 48 VCC

Tensão Máxima do Banco de Baterias Vbat_máx 50 VCC Especificações dos Demais componentes

Tensão de Condução dos Diodos Vd 0,7 V

Tensão Dreno-Fonte do Interruptor Vds 1 V