Circuitos de acionamento para lâmpada LED tubular utilizando conversores a capacitor chaveado

Texto

(1)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.

(2)

(3) Priscila Ertmann Bolzan. 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.

(4) © 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: priscilaertmann15@gmail.com.

(5) Priscila Ertmann Bolzan. 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. Aprovado em 11 de agosto de 2017:. Santa Maria, RS 2017.

(6)

(7) 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..

(8)

(9) 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..

(10)

(11) I don’t want to believe, I want to know. Carl Sagan.

(12)

(13) RESUMO CIRCUITOS DE ACIONAMENTO PARA LÂMPADA LED TUBULAR UTILIZANDO CONVERSORES A CAPACITOR CHAVEADO 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..

(14)

(15) 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..

(16)

(17) 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 22 - Conversor ressonante - Etapa 2 ............................................................. 59 Figura 23 - Conversor ressonante - Etapa 3 ............................................................. 59 Figura 24 - Foto da lâmpada ..................................................................................... 61.

(18) 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 Figura 30 - Análise da variação do capacitor C1 a C5 na corrente dos LEDs – CDVF + 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.

(19) 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.

(20) 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.

(21) 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 13 - Conversor 1 e a norma IEC 61000-3-2 – opção 2 .................................. 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 Tabela 17 - Conversor 2 e a norma IEC 61000-3-2 – opção 1 .................................. 92 Tabela 18 - Conversor 2 e a norma IEC 61000-3-2 – opção 2 .................................. 92.

(22)

(23) 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).

(24)

(25) 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. CH2. Channel 2 – Canal 2 do osciloscópio. CH3. Channel 3 – Canal 3 do osciloscópio. CH4. Channel 4 – Canal 4 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. Dp2. Diodo 2 da ponte retificadora. Dp3. Diodo 3 da ponte retificadora. Dp4. Diodo 4 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.

(26) 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.

(27) 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.

(28) 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.

(29) 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) 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) 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..

(32)

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

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

(36) 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, possibilitase a redução no peso e volume do circuito, uma vez que os componentes magnéticos.

(37) 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)..

(38)

(39) 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. 550 – 1150. G5. 100. tubular. 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) 40. Tabela 2 - Limite mínimo de fator de potência conforme Portaria nº 389 Potência da lâmpada Até 5 W. Fator de potência 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) 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) 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) 43. Mod %  0,025  fripple. (1). Mod %  0,08  fripple. (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).. Mod %  100 . Io  100 .  Lmax  Lmin   Lmax  Lmin . Iomax  Iomin Iomed. (3). (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) 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).. LC  LCo  KT  KR  KV. (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.. KT  2. To Ta 10. (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   Ior   To K R  K1   1      10K *  Ion    . (7).

(45) 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;.  Ua  KV     Ur . n. (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) 46. Figura 6 - Comportamento da vida útil de capacitores eletrolíticos com a variação da tensão e da temperatura de operação. Gráfico da Pri. 6. 7 5. 6. 5 4. Vida Útil. 4. 3 3. 2. 1 2. 0 85. 85 90. 90 95. 95. 1. 100. 100 105. 105 110. 110. Temperatura (ºC). Tensão (V). 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..

(47) 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..

(48)

(49) 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..

(50) 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) 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) 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) 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) 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).. . Vocb Vincb. Em que: Ƞ é o rendimento global do circuito; Vocb é a tensão de saída do conversor básico de capacitor chaveado;. (9).

(55) 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) 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) 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) 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) 59. Figura 23 - Conversor ressonante - Etapa 2. 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. Figura 24 - Conversor ressonante - Etapa 3. 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..

(60)

(61) 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..