Trabalho Completo - Pró-reitoria de Pesquisa, Pós

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO CEARÁ - IFCE
PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E INOVAÇÃO - PRPI
CONVERSOR CC-CC ELEVADOR COM CAPACITOR CHAVEADO PARA
LEDs DE POTÊNCIA COM INDUTOR OPERANDO EM MODO DE
CONDUÇÃO CONTÍNUA.
Edson Rodrigues Marques(1); Edilson Mineiro Sá Junior(2)
Bolsista ; Instituto Federal do Ceará, campus Sobral; [email protected].
Orientador(2); Instituto Federal do Ceará, campus Sobral; [email protected].
(1)
1. RESUMO Este trabalho apresenta o uso de um conversor CC-CC elevador com capacitor
chaveado (SC - Switched-Capacitor) para alimentação de diodos emissores de luz (LEDs) com o
indutor operando em modo de condução contínua. O conversor permite a dimerização dos LEDs e
tem a vantagem de estabililzar a corrente de saída através de modulação por frequência, que é
obtida de acordo com a tensão de entrada, o que dispensa o uso de sensores de corrente reduzindo
os custos de produção do circuito. O protótipo montado em laboratório foi dimensionado para uma
luminária de 54 W e apresentou um rendimento de aproximadamente 94% em condições nominais
de operação.
PALAVRAS-CHAVE: Conversor CC-CC, Dimerização, LEDs.
2. INTRODUÇÃO
O rápido desenvolvimento da tecnologia de lâmpadas de estado sólido, como por exemplo
os diodos emissores de luz (LEDs), tem dado a esse tipo de iluminação um alto rendimento se
comparado a outras tecnologias e também a redução de custos. Atualmente, os LEDs tem uma
eficiência luminosa que compete com as lâmpadas fluorescentes compactas com a vantagem de ter
uma vida útil mais elevada o que se traduz em um maior tempo entre manutenções. Esses fatores
fazem o uso de LEDs uma solução atrativa para iluminação em geral.
A busca por circuitos cada vez mais compactos fez com que a utilização de conversores com
capacitores comutados se popularizasse. Convencionalmente nos conversores SC o núcleo
magnético, que normalmente é o componente que estabelece o volume do circuito, é substituído por
capacitores e interruptores. Feng e Shi (2007) propuseram um conversor capacitor chaveado com
modulação por frequência, nesse conversor a corrente é pulsada e resulta numa alta ondulação de
corrente na saída. A popularidade dos conversores com capacitor chaveado, que também são
conhecidos como charge pump, é devido as seguintes vantagens: baixo peso, pequeno tamanho e
alta densidade de potência.
Este trabalho propõe um conversor CC-CC elevador com capacitor chaveado para
alimentação de LEDs de potência com baixa ondulação de corrente na saída. O indutor operando
em modo de condução contínua permite a redução dos picos de corrente e também a redução das
perdas por condução.
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3 METODOLOGIA/RESULTADOS
Para validar experimentalmente o conversor SC proposto, foram utilizados dois módulos de
LEDs para iluminação pública modelo EMPW-C61J09G-241U fabricados pela empresa Edison
Opto como carga. Este módulo possui lentes elípticas que possibilitam uma melhor distribuição e
aproveitamento da luz emitida pelos seus LEDs de potência. Cada módulo possui uma potência
nominal de 27 W, sendo composto por 24 LEDs do tipo Edixeon, conectados em série e em
paralelo. Utilizando a curva fornecida pelo fabricante da corrente no módulo em função da sua
tensão, foi possível determinar o valor da resistência série intrínseca resultante, RLED e o valor da
tensão VLED resultante. O RLED e o VLED de cada um dos módulos equivale a 2,18 Ω e 16,18 V,
respectivamente. O valor médio nominal de corrente nos LEDs é de 1,4 A.
Os interruptores utilizados foram os MOSFETs IRFB3306 e o driver para acionamento dos
interruptores foi o IR2184, capaz de gerar os pulsos complemetares com razão cíclica de 0,5, sendo
acioando por um gerador de função (GF). Foram utilizados dois diodos schottky PN 30WQ06FN,
sendo diodos SMD(surface mount device). Na entrada e na saída do circuito foram utilizados filtros
capacitivos para reduzir a ondulação de corrente. Na entrada foi utilizada uma capacitância
equivalente de 440 µF, sendo composta por dois capacitores eletrolíticos de 220 µF com baixa
resistência série equivalente. Na saída são utilizados dois capacitores cerâmicos multicamadas de 10
µF conectados em paralelo.
Figura 1 – Desenho esquemático do circuito completo
Fonte: Autor.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 3 mostra alguns resultados obtidos por meio do osciloscópio, as formas de onda
teóricas podem ser vistas na Figura 2. O indutor tem corrente média igual a corrente de entrada de
2,28 A e corrente de pico a pico equivalendo aproximadamente 600 mA.
A comutação do conversor SC no modo de condução contínua(MCC) com tensão nominal
de entrada é mostrada tanto na Figura 2 como na Figura 3, podendo ser observado que o bloqueio
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do MOSFET é em tensão nula e que há a presença de oscilações, devido aos elementos parasitas
dos componentes.
Figura 2 – Principais formas de onda teóricas
Fonte: Autor.
Figura 3A - Tensão no capacitor comutado (Ch1) e corrente no indutor ressonante (Ch2)
Figura 3B - Tensão (Ch1) e corrente (Ch2) no MOSFET S1
A:(Ch1: 10 V/div.; Ch2: 1 A/div.; base de tempo: 2 µs/div.) B: (Ch1: 10 V/div.; Ch2: 800 mA/div.; base de tempo: 2
µs/div.)
Fonte: Autor.
Na Figura 4 é mostrado o protótipo do conversor em MCC em funcionamento. Observando
o indutor utilizado, pode ser observado que o componente não compromete o volume do circuito.
Figura 4 – Protótipo do conversor SC ressonante.
Fonte: Autor
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A figura 5 mostra uma imagem obtida com câmera térmica Flir® I60 do conversor em
MCC funcionando nas condições nominais. Como pode ser observado o indutor é um dos
componentes que menos aquece, justificando o rendimento mais elevado para este modo de
operação.
Figura 5 – Imagem térmica do conversor
Fonte: Autor.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os resultados experimentais validaram a proposta e mostraram que o conversor SC
apresenta rendimento elevado. No modo contínuo os picos de corrente nos interruptores são
menores, assim as perdas na condução foram reduzidas. Além disso, os interruptores bloqueiam
com tensão nula e como foram utilizados MOSFETs, que apresentam maiores perdas por condução
ao desligarem, contribuindo na redução das perdas. Por este motivo, o conversor operando em
modo de condução contínua apresentou maior rendimento.
Os resultados mostraram ainda que a corrente nos LEDs pode ser estabilizada sem a
necessidade de sensores ou de realimentação, reduzindo o custo do circuito.
5. REFERÊNCIAS
DOE. Solid-State Lighting Research and Development: Multi-Year Program Plan. U. S.
Departament of Energy. [S.l.], april 2013.
HART, D. W., Eletônica de Potência: análise e projetos de circuitos. McGraw Hill / Bookman.
Porto Alegre, 2012.
SÁ Jr., E. M. Estudo de estruturas de reatores eletrônicos para LEDs de Iluminação. Tese.
Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis. 2010.
W. Feng, F. G. Shi, A New Switched-Capacitor Frequency Modulated Driver for Light
Emitting Diodes, vol. 78, no. 11, pp. 114701-114701-4, November 2007