universidade federal do paraná jeferson kindrajh desenvolvimento

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
JEFERSON KINDRAJH
DESENVOLVIMENTO DE UMA LUMINÁRIA LED AUTÔNOMA UTILIZANDO
PAINÉIS FOTOVOLTAICOS E BANCO DE ULTRACAPACITORES
CURITIBA
2015
JEFERSON KINDRAJH
DESENVOLVIMENTO DE UMA LUMINÁRIA LED AUTÔNOMA UTILIZANDO
PAINÉIS FOTOVOLTAICOS E BANCO DE ULTRACAPACITORES
Trabalho de Conclusão de Curso
Superior
de
Graduação
em
Engenharia Elétrica da Universidade
Federal do Paraná, apresentado
como requisito parcial à obtenção do
título de Engenheiro Eletricista.
Orientação: Prof. Dr. João Américo
Vilela Junior
Coorientador: Prof. Dr. James
Alexandre Baraniuk
CURITIBA
2015
TERMO DE APROVAÇÃO
Jeferson Kindrajh
DESENVOLVIMENTO DE UMA LUMINÁRIA LED AUTÔNOMA UTILIZANDO
PAINÉIS FOTOVOLTAICOS E BANCO DE ULTRACAPACITORES
Trabalho de conclusão de Curso de Graduação, aprovado como um dos
requisitos para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista no Curso de
Engenharia Elétrica com Ênfase em Sistemas Eletrônicos Embarcados, Setor
de Tecnologia da Universidade Federal do Paraná, pela seguinte banca
examinadora:
Prof. Dr. João Américo Vilela Junior
Departamento Acadêmico de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do
Paraná, UFPR
Prof. Dr. James Alexandre Baraniuk
Departamento Acadêmico de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do
Paraná, UFPR
Curitiba, 28 de dezembro de 2015
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus, pois foi Ele quem deu esta oportunidade de
estudar Engenharia Elétrica e também foi Ele quem deu força e sabedoria para
chegar até aqui.
À Mulher da minha vida Nayara, pela paciência e compreensão pelo
tempo dedicado à Universidade. Aos meus Pais (Maria M. Kindrajh e Paulo
Kindrajh), à minha irmã (Danielle Kindrajh) e meu cunhado (Rodrigo M.
Cardoso) pelo apoio e incentivo dado todo esse tempo.
Ao meu orientador Prof. Dr. João Américo, pela competente orientação
do presente trabalho, por toda a ajuda prestada, pela motivação e paciência de
ajudar-me a realizar este trabalho.
Aos professores, Dr. Rogers Demonti, Dr. João Dias e Dr. James
Alexandre Baraniuk, pelo ensino ao longo dos anos e pelo interesse neste
trabalho.
Aos meus colegas de trabalho da Furukawa, em especial Luiz H.
Zimmerman pela compreensão, empatia e incentivo aos meus estudos.
A todos os meus colegas que participaram desta minha caminhada. Em
especial meu colega de trabalho de fim de curso Brenno Brummel de
Figueiredo e Marcelo F. Oliveira.
RESUMO
Este trabalho apresenta o estudo e o desenvolvimento de uma luminária LED,
que usa módulos solares e conta com um banco de ultracapacitores. Para tal,
foram procuradas soluções sustentáveis para cumprir o sétimo dos oito
objetivos do milênio estipulados pela Organização das Nações Unidas (ONU),
que é qualidade de vida e respeito ao meio ambiente. O projeto utiliza três
novas tecnologias menos poluentes destinadas a substituir as duas maiores
fontes poluidoras existentes na maioria das luminárias autônomas. Para tal
solução, as lâmpadas de descarga foram substituídas por LEDs de alta
eficiência e elevada vida útil e a as baterias por ultracapacitores, que podem
durar até 25 anos. Para alimentar a luminária, foram utilizados painéis
fotovoltaicos que possuem expectativa de vida em torno de 25 anos. Todas
estas tecnologias envolvidas possuem o propósito de atender ao requisito de
sustentabilidade estipulado pela ONU. Ademais, ferramentas como
conversores CC-CC e algoritmo MPPT foram implementados para aumentar a
eficiência da luminária proposta. O Projeto gerou um protótipo funcional de
luminária LED autônoma, sustentada por um banco de ultracapacitores,
alimentada por painéis fotovoltaicos, para aplicação em iluminação de vias de
pedestres.
Palavras chave: Sustentabilidade. Iluminação LED. Ultracapacitores. Geração
Fotovoltaica.
ABSTRACT
This paper presents the study and development of a LED lamp that uses solar
modules and a bank of ultracapacitors. For this purpose, they sought after
sustainable solutions to meet the seventh goal of the eight Millennium
Development Goals set by the United Nations (UN), which is quality of life and
respect for the environment. The project uses three clean new technologies
designed to replace the two largest existing pollution sources in most standalone fixtures: discharge lamps replaced with high-efficiency LEDs, with long
service life; batteries replaced with ultracapacitors, which can last up to 25
years; and photovoltaic panels to power the light, which a life expectancy
around 25 years. All with the purpose of meeting the environmental
sustainability requirement of the UN. In addition, tools such as DC-DC
converters and MPPT algorithm have been implemented to increase system
efficiency. The project created a working prototype of an autonomous LED
lamp, supported by a ultracapacitors bank, powered by photovoltaic panels, for
use in lighting pedestrian routes.
Keywords:
Generation.
Sustainability.
LED
lighting.
Ultracapacitors.
Photovoltaic
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 1: DIAGRAMA SIMPLIFICADO DO SISTEMA. ................................. 13
FIGURA 2: DIAGRAMA EM BLOCOS GENÉRICO DE UMA LUMINÁRIA
SOLAR AUTÔNOMA. ...................................................................................... 19
FIGURA 3: REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO P&O MPPT. ........................... 20
FIGURA 4: ALGORITMO DO P&O MPPT........................................................ 21
FIGURA 5: SUPERCAPACITOR ELETROQUÍMICO DE DUAS CAMADAS. .. 22
FIGURA 6: RESUMO GRÁFICO DAS CARACTERÍSTICAS DOS SUPERCAPS
E ALGUNS TIPOS DE BATERIAS. .................................................................. 25
FIGURA 7: LED DE 5MM CONVENCIONAL E SEU SÍMBOLO. ..................... 27
FIGURA 8: LED GOLDEN DRAGON E SUA ESTRUTURA INTERNA. ........... 29
FIGURA 9: DISSIPAÇÃO TÉRMICA EM UM LED. .......................................... 30
FIGURA 10: CIRCUITO TÉRMICO DE UM LED DE POTÊNCIA MONTADO EM
BASE MCPCB. ................................................................................................. 30
FIGURA 11: PLACA PMP7647. ESQUERDA: FACE SUPERIOR. DIREITA:
FACE INFERIOR.............................................................................................. 36
FIGURA 12: RELAÇÃO TRIGONOMÉTRICA DA ILUMINÂNCIA PONTUAL. . 42
FIGURA 13: DISSIPADOR SELECIONADO PARA O SISTEMA. .................... 44
FIGURA 14: CIRCUITO PARA LIMITAÇÃO DA TENSÃO EM CADA
SUPERCAPACITOR. ....................................................................................... 48
FIGURA 15: CÉLULAS SOLARES................................................................... 49
FIGURA 16: DRIVER DC-DC PARA ALIMETAÇÃO DOS LEDS E UM
CIRCUITO BOOST EXEMPLIFICANDO O CIRCUITO. ................................... 51
FIGURA 17: CONVERSOR DC-DC PARA A CARGA DO BANCO DE
ULTRAPACITORES. ........................................................................................ 53
FIGURA 18: BOOST REPONSÁVEL PELA ALIMENTAÇÃO DO CIRCUITO .. 55
FIGURA 19: REGULADOR LINEAR PARA ALIMENTAÇÃO DO CIRCUITO .. 57
FIGURA 20: REGULADOR LINEAR PARA ALIMENTAÇÃO DO CIRCUITO .. 59
FIGURA 21: CORRENTE MEDIDA NOS LEDS. .............................................. 61
FIGURA 22: CICLO DE TRABALHO PARA CONVERSOR BOOST DOS LEDS
. ........................................................................................................................ 63
FIGURA 23: TENSÃO APLICADA NOS LEDS. ............................................... 64
FIGURA 23: CORRENTE MEDIDA NOS LEDS. .............................................. 64
FIGURA 25: SINAIS PWM COMPLEMENTARES NO BUCK. ......................... 65
FIGURA 26: TEMPO MORTO NOS SINAIS PWM DO BUCK ......................... 65
FIGURA 27: LEDS E ACESSÓRIOS ............................................................... 86
FIGURA 28: LED MONTADO........................................................................... 86
FIGURA 29: PLACA BASE EM ALUMINIO ...................................................... 87
FIGURA 30: PLACA BASE EM ALUMINIO MONTADA ................................... 87
FIGURA 31: PCI EQUILIBRIO ULTRACAPACITOR ........................................ 88
FIGURA 32: BARRA DE CONEXÃO DOS ULTRACACITORES ..................... 88
FIGURA 33: BARRA DE CONEXÃO DOS ULTRACACITORES ..................... 88
FIGURA 34: ULTRACACITORES LIGADOS ................................................... 89
FIGURA 35: CONJUNTO DE CÉLULAS SOLARES ........................................ 90
FIGURA 36: LAYOUT DA PLACA CONTROLADORA ..................................... 90
FIGURA 37: PLACA CONTROLADORA FINALIZADA .................................... 91
FIGURA 38: CONJUNTO MONTANDO EM BASE DE ACRÍLICO. ................. 91
LISTA DE QUADROS E TABELAS
QUADRO 1: VANTAGENS E LIMITAÇÕES DOS ULTRACAPACITORES...... 24
QUADRO 2: CLASSES DE ILUMINAÇÃO PARA CADA TIPO DE VIA ........... 33
TABELA 1: RESULTADOS DE TESTE DE PERFORMANCE EM P&O MPPT
MICROCONTROLADO. ................................................................................... 21
TABELA 2 : COMPARAÇÃO ENTRE SISTEMA SOLAR SEM MPPT E
SISTEMAS SOLAR COM P&O MPPT. ............................................................ 22
TABELA 3: COMPARAÇÃO ENTRE ULTRACAPACITORES E BATERIAS. .. 24
TABELA 4: ILUMINÂNCIA MÉDIA E FATOR DE UNIFORMIDADE MÍNIMO
PARA CADA CLASSE DE ILUMINAÇÃO ........................................................ 33
TABELA 5: CARACTERÍSTICAS DO LED. FONTE: DATASHEET ................. 40
TABELA 6: CÁLCULO DA ILUMINÂNCIA MÉDIA DAS LUMINÁRIAS ............ 42
TABELA 7: CALCULO DA ILUMINÂNCIA MÉDIA DAS LUMINÁRIAS ............ 43
TABELA 8: CÁLCULO DA ILUMINÂNCIA MÉDIA DAS LUMINÁRIAS ............ 44
TABELA 9: CÁLCULO DA CAPACITÂNCIA EM FUNÇÃO DA AUTONOMIA . 45
TABELA 10: CÁLCULO DA CAPACITÂNCIA EM FUNÇÃO DA AUTONOMIA 46
TABELA 11: CÁLCULO DO TEMPO DE CARREGAMENTO FUNÇÃO DO
BANCO ............................................................................................................ 47
TABELA 12: CÁLCULO UTILIZAÇÃO DA ENERGIA ACUMULADA ............... 47
TABELA 13: TEMPOS DE CARGA ATUALIZADOS EM FUNÇÃO DA NOVA
CORRENTE DE CARGA.................................................................................. 50
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT
- Associação Brasileira de Normas Técnicas
NBR
- Norma Brasileira Regulamentar
UFPR
- Universidade Federal do Paraná
ed.
- Edição
Ed.
- Editor
IBGE
- Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
ONU
- Organização das Nações Unidas
ISBN
- International Standard Book Number
p.
- Página
MPPT
- Maximum Power Point Tracking
P&O
- Perturb and Observ
MCU
- Microcontrolador
LDR
- Light Dependent Resistor
V
- Volt
A
- Ampère
W
- Watt
F
- Farad
cd
- Candela
lm
- Lumen
SSL
- Solid State Light
MCPCB
- Metal Core Printed Circuit Board
COB
- Chip on Board
SMD
- Dispositivos de Montagem Supercial
CI
- Circuito Integrado
HPS
- Lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 12
1.1 OBJETIVOS ........................................................................................................ 14
1.1.1 OBJETIVO GERAL ......................................................................................... 14
1.1.2 Objetivos específicos ...................................................................................... 14
2 JUSTIFICATIVA ................................................................................................... 16
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................ 18
3.1 LUMINÁRIAS AUTÔNOMAS .............................................................................. 18
3.2 MPPT EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ......................................................... 19
3.2.1 O algoritmo P&O ............................................................................................. 20
3.3 SUPERCAPACITORES E ULTRACAPACITORES ............................................ 22
3.4 LEDS DE POTÊNCIA ......................................................................................... 27
3.5 LEGISLAÇÃO PARA LUMINÁRIAS EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA ...................... 31
4 METODOLOGIA ................................................................................................... 35
5 DESENVOLVIMENTO .......................................................................................... 40
5.1 CÁLCULO DO LED ............................................................................................. 40
5.2 CÁLCULO DO DISSIPADOR PARA CADA LED ................................................ 43
5.3 CÁLCULO DO BANCO DE SUPERCAPACITORES .......................................... 45
5.4 CÁLCULO MÓDULO SOLAR ............................................................................. 49
5.5 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DA CONTROLADORA ........................................ 50
5.5.1 Driver LED ...................................................................................................... 50
5.5.2 Conversor DC-DC para carga do Banco de Ultracapacitores ......................... 52
5.5.3 Conversor Boost para Alimentação dos Transistores dos Conversores
DC-DC ....................................................................................................................... 54
5.5.4 Regulador de Tensão para Alimentação do Microcontrolador, AOP e
Sensor de Movimento. .............................................................................................. 56
5.5.5 Microcontrolador e Circuito Amplificador do Sensor de Corrente de
Carga do Banco. ....................................................................................................... 57
5.5.6 Firmware ......................................................................................................... 59
6 RESULTADOS ..................................................................................................... 63
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................................. 66
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 67
ANEXO 1 – DATASHEET LED................................................................................. 69
ANEXO 2 - DESIGN DE REFERÊNCIA DA TEXAS INSTRUMENTS
“PMP7647 BOARD” ................................................................................................. 74
ANEXO 3 – DRIVER LM2510 ................................................................................... 75
ANEXO 4 – DRIVER LM2523 ................................................................................... 79
APÊNDICE 1 – CIRCUITO PROPOSTO .................................................................. 81
APÊNDICE 2 – LISTA DE MATERIAIS .................................................................... 82
APÊNDICE 3 – CALCULOS DOS GANHOS DA NOVA CONTROLADORA .......... 85
APÊNDICE 4 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO ....................................................... 86
APÊNDICE 5 – FIRMWARE ..................................................................................... 92
12
1
INTRODUÇÃO
Os sistemas de iluminação estão presentes em nosso dia a dia e são de
suma importância principalmente no período noturno ou de baixa luminosidade,
tanto em ambientes fechados quanto abertos. Em ambientes abertos o grande
foco é a iluminação pública, que garante segurança para motoristas e
pedestres, mas em contrapartida consome uma grande quantidade de energia
elétrica e tem elevada necessidade de manutenção.
Os sistemas atuais de iluminação pública, em sua maioria, são
alimentados pela rede elétrica e possuem como fonte luminosa lâmpadas a
vapor de mercúrio, vapor de sódio ou vapor metálico, que são lâmpadas de
descarga.
As desvantagens são:
a) grande consumo de energia elétrica;
b) baixa vida útil das lâmpadas, gerando mais manutenção nas
luminárias;
c) baixa eficiência, em comparação com os LEDs, dependendo do
tipo de lâmpada.
Uma alternativa para as fontes luminosas tradicionais citadas, que já
está sendo implementadas em algumas cidades no Brasil e no mundo, é a
substituição das lâmpadas de descarga por LEDs.
Essa substituição tem por objetivo uma diminuição no consumo de
energia elétrica tanto pela alta eficiência (exceto se comparado às lâmpadas de
vapor de sódio, porém esta é monocromática), alguns maiores que 140 lm/W,
quanto pela capacidade de dimerização, o que acarretará na diminuição da
intensidade luminosa na ausência de trânsito e nos períodos de menor
utilização.
Consequentemente, haverá uma diminuição no impacto ambiental
causado por metais pesados presentes em alguns desses tipos de lâmpadas,
pois são fabricados sem estes metais e elementos tóxicos, portanto, não
nocivos ao meio ambiente e aos seres vivos.
Outro fato importante a ser salientado, é a redução de manutenção que
as lâmpadas com tecnologia LED são capazes de proporcionar, visto que a
13
vida útil de LEDs de potência está na casa das 50.000 horas. Além da redução
de troca das lâmpadas, haverá a economia nos gastos relativos a transporte
até o local onde se localiza a luminária.
Para poupar energia, uma solução é o desenvolvimento de luminárias
autônomas, alimentadas por módulos solares fotovoltaicos. Alguns sistemas
autônomos de iluminação já foram desenvolvidos, inclusive luminárias com
LEDs. Contudo, continuam utilizando baterias que contêm metais pesados
como chumbo, cádmio, níquel ou lítio. Esses metais pesados são tóxicos aos
seres vivos e seu descarte inadequado causa grande impacto ambiental. Há
também
a
questão
de
necessidade
periódica
de
manutenção
dos
acumuladores de carga.
A proposta deste trabalho é o desenvolvimento de uma luminária LED
autônoma, alimentada
por painéis solares fotovoltaicos,
cuja
energia
necessária para o funcionamento no período noturno ou de baixa luminosidade
será fornecida por um banco de ultracapacitores. O diagrama simplificado do
sistema pode ser visto na FIGURA 1.
FIGURA 1: DIAGRAMA SIMPLIFICADO DO SISTEMA.
FONTE: AUTORES, 2015.
14
1.1
OBJETIVOS
1.1.1 OBJETIVO GERAL
Pretende-se desenvolver um sistema de iluminação LED, outdoor,
autônomo, microcontrolado, sustentado por um banco de ultracapacitores, a fim
de atender o requisito de sustentabilidade ambiental. A luminária será projetada
para uso em passeios e praças, ou seja, para uso em vias de pedestres.
Poderá ser também utilizada em vias de automóveis, com as devidas
modificações.
1.1.2 Objetivos específicos
Os objetivos específicos do projeto serão listados e discorridos a seguir.
a) substituir as lâmpadas de descarga por LEDs de potência;
b) substituir as baterias por um banco de ultracapacitores. Esse
banco substituirá tanto baterias de chumbo quanto de NiCd, NiMH
ou lítio;
c) utilizar painéis fotovoltaicos para alimentar o sistema, garantindo
sua total independência do sistema elétrico nacional, promovendo
sua auto-suficiência e reduzindo a zero o consumo de energia
elétrica da rede;
d) projetar
conversores
DC-DC
de
alta
eficiência,
ambos
microcontrolados, a fim de garantir uma mínima perda de energia.
São eles:
a. conversor DC-DC com MPPT para carga do banco de
ultracapacitores através dos painéis solares;
b. conversor DC-DC driver para LEDs de potência.
e) desenvolver um circuito de controle, microcontrolado, que
gerenciará a luminária, verificando a luminosidade do ambiente
15
através do próprio painel solar, acionando ou não a fonte
luminosa de acordo com essa intensidade, comparando com
valores máximos e mínimos pré-programados. O circuito de
controle também atuará sobre os conversores;
f) dimerizar a luminosidade dos LEDs, deixando em níveis maiores
em horários mais solicitados e em níveis mais baixos em horários
menos solicitados, para maximizar a autonomia.
Como resultado final do projeto pretende-se ter um protótipo de
luminária LED outdoor, autônoma, microcontrolada, sustentada por um banco
de ultracapacitores, com acionamento automático por detecção de baixa
luminosidade e dimerizável automaticamente.
16
2
JUSTIFICATIVA
Alguns sistemas autônomos de iluminação já foram desenvolvidos,
porém utilizam como armazenadores de carga baterias que contêm metais
pesados, sendo um risco para o Meio Ambiente e para os seres vivos. As
vantagens dos ultracapacitores em relação às baterias estão listadas a seguir.
a) vida útil de aproximadamente 25 anos a 25 ºC;
b) o custo com manutenção tende a zero;
c) alta confiabilidade;
d) não são construídos com metais pesados;
e) maior densidade de carga por massa;
f) alta corrente de carga/descarga;
g) tempo de carga reduzido.
A desvantagem das lâmpadas a vapor metálicas e vapor de sódio são
baixa vida útil, quando comparadas com LEDs, enquanto que a desvantagem
da vapor de mercúrio, além de também possuir pequena vida útil, é o
significativo impacto ambiental por conter mercúrio, metal altamente tóxico,
principalmente quando sua destinação final é incorreta.
A maior eficiência dos atuais LEDs de potência permite que um módulo
LED de 80 W, com conjunto óptico adequado, substitua uma lâmpada HPS de
150 W, provocando uma redução de 46,67% do total de energia consumida
pela fonte de luz, para uma mesma intensidade de iluminação resultante. (ALI
et al., 2011. p.3).
A utilização de módulos solares torna-se justificável para redução do
consumo de energia elétrica do sistema elétrico nacional, visando a utilização
de energia renovável gratuita, limpa e democrática que é a energia solar,
principalmente porque:
O planeta está enfrentando uma escassez de energia devido ao
aumento do consumo médio de energia per capita, portanto,
tecnologias de Energia Renovável têm atraído grande interesse em
todo o mundo para encontrar soluções para a crise energética
mundial. (ALI; ORABI; ABDELKARIM; QAHOUQ e AROUDI, 2011,
p.1)
17
No ano de 2000, a ONU, Organização das Nações Unidas, com o
apoio de 191 nações, ao analisar os maiores problemas mundiais estabeleceu
os “8 Objetivos do Milênio”(ODMBRASIL) (2000), que no Brasil são chamados
de “8 Jeitos de Mudar o Mundo”. Esses objetivos são voltados para a melhoria
das condições de vida no planeta. O prazo estipulado para atendimento dessas
metas é até 2015. Os oito objetivos são:
1) acabar com a fome e a miséria;
2) educação básica de qualidade para todos;
3) igualdade entre sexos e valorização da mulher;
4) reduzir a mortalidade infantil;
5) melhorar a saúda das gestantes;
6) combater a AIDS, a Malária e outras doenças;
7) qualidade de vida e respeito ao meio ambiente;
8) todo mundo trabalhando pelo desenvolvimento.
O sistema de iluminação proposto consistirá em um painel fotovoltaico,
um banco de ultracapacitores, lâmpada LED, conversores DC-DC e um
controlador, a fim de atender o requisito de sustentabilidade ambiental proposto
pela ONU, que é o sétimo dos objetivos do milênio, demonstrando o
comprometimento dos autores do trabalho com a sustentabilidade do planeta.
18
3
3.1
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
LUMINÁRIAS AUTÔNOMAS
O objetivo das luminárias autônomas é a utilização de energia renovável
como fonte, sendo uma ideia inovadora que, recentemente, com o surgimento
dos LEDs de potência brancos de alta eficiência, tem se tornado uma ótima
alternativa para luminárias públicas mais eficientes. (BEDIN, 2013).
Dados revelados no estudo Bedin (2013) “AKAIAKÁ - Luminária Urbana
Ecoeficiente” mostram a capacidade de se obter uma boa qualidade de
iluminação (intensidade, distribuição espacial, índice de reprodução de cores e
conforto visual relacionado à temperatura de cor) com a utilização de lâmpadas
de LED, mantidas por um sistema alimentado por energia renovável.
Segundo dados de 2008 da Eletrobrás (2015), companhia brasileira de
energia, a iluminação pública no Brasil corresponde a aproximadamente 4,5%
da demanda nacional e a 3,4% do consumo total de energia elétrica do país,
sendo equivalente a uma demanda crescente de 2,2 GW e a um consumo de
10,3 bilhões de kWh/ano. Ainda segundo o mesmo levantamento, há
aproximadamente 14,7 milhões de pontos de iluminação pública instalados,
distribuídos da seguinte forma: 5% no Norte, 9% no Centro-Oeste, 20% no
Nordeste, 19% no Sul, 47% no Sudeste, com previsão de instalação de mais
3,0 milhões até 2010.
A vida útil de um LED é aproximadamente onze anos, considerando
doze horas de iluminação diária, enquanto que a lâmpada de mercúrio tem
expectativa de vida de pouco mais de três anos. Essa alta durabilidade do LED
reduz custos com manutenção, diminuindo a frequência de substituição, assim
como a quantidade de resíduos gerados por descarte.
As formas mais comuns de obter energia de forma renovável e que não
causam maiores danos ao ambiente natural, utilizadas nas luminárias
autônomas.
a) Energia Solar – captação através de placas fotovoltaicas;
19
b) Energia Eólica – geração de energia através da força dos ventos;
c) Energia Cinética – geração de energia através da movimentação
dos corpos.
O Brasil, com seu território rico em recursos naturais, principalmente ao
longo de toda costa e mais próximo à linha do equador, apresenta uma imensa
capacidade para o aproveitamento da radiação solar e da força dos ventos.
Assim, conferindo um grande potencial energético pouco explorado, se
comparado aos países europeus.
Na FIGURA 2 pode-se observar o diagrama em blocos genérico de uma
luminária solar autônoma.
Célula
Circuito de
Fotovoltaica
Controle
Circuito
Driver para
Circuito de
proteção de
Módulo LED
LED
Bateria
carga e
descarga
FIGURA 2: DIAGRAMA EM BLOCOS GENÉRICO DE UMA LUMINÁRIA SOLAR AUTÔNOMA.
FONTE: WANG YONGQING, 2009.
3.2
MPPT EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Técnicas de rastreamento do ponto de máxima potência, cuja sigla em
inglês é MPPT (Maximum Power Point Tracking), são utilizadas em sistemas
fotovoltaicos para maximizar a potência de saída do gerador fotovoltaico.
Acompanhando continuamente o ponto de potência máxima, denominado MPP
(Maximum Power Point), que depende da temperatura dos painéis e das
condições de irradiância(FEMIA, Nicola et al., 2005).
A questão do rastreamento de máxima potência (MPPT) tem sido
abordada de diferentes formas na literatura, implementados, por exemplo,
utilizando-se de lógica fuzzy, redes neurais, células-piloto, implementações
20
baseadas DSP. No entanto, as técnicas Perturb and Observ (P&O) e
Incremental Conductance (INC) são amplamente utilizados, especialmente
para implementações de baixo custo, inclusive em microcontroladores.
3.2.1 O algoritmo P&O
O algoritmo P&O MPPT é usado, principalmente, devido à sua facilidade
de implementação. Se a corrente de funcionamento do gerador fotovoltaico é
perturbada em uma dada direção e se a potência retirada a partir das células
fotovoltaicas aumenta, significa que o ponto de funcionamento MPP se moveu
naquela direção e, por conseguinte, deve-se perturbar novamente o sistema
naquela direção e observar se houve novo aumento da potência fornecida.
Caso contrário, se a potência retirada a partir do gerador fotovoltaico diminui, o
ponto de funcionamento se afastou do MPP e, portanto, a direcção da
perturbação de corrente de funcionamento tem que ser invertida. Na FIGURA 3
tem-se a representação gráfica do P&O MPPT e na FIGURA 4 tem-se o
algoritmo do P&O MPPT.
FIGURA 3: REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO P&O MPPT.
FONTE: STMICROELECTRONICS, 2011.
21
FIGURA 4: ALGORITMO DO P&O MPPT.
FONTE: ALI REZA REISI, 2012.
Uma desvantagem da técnica de P&O MPPT é que, no estado de
equilíbrio, o ponto de operação oscila em torno do MPP dando origem ao não
aproveitamento de uma certa quantidade de energia disponível, reduzindo a
eficiência do sistema.
Com essa técnica dinâmica de MPPT é possível conseguir cerca de 95%
de eficiência média na conversão de energia em sistemas fotovoltaicos. Dessa
forma, garantindo um ganho médio de 13,3% em relação à sistemas sem
MPPT, como mostram a Tabela 1 e a Tabela 2 respectivamente.
TABELA 1: RESULTADOS DE TESTE DE PERFORMANCE EM P&O MPPT
MICROCONTROLADO.
Vi(V)
17,04
17,38
17,18
16,87
17,01
16,62
Ii(A)
0,44
0,81
2,01
4,17
6,35
8,83
Io(A)
13,04
13,11
13,33
13,68
14,03
14,39
Pi(W)
7,43
14,13
34,53
70,28
108
148,42
FONTE: TEXAS INSTRUMENTS, 2013.
Po(W)
6,56
13,18
33,33
68,41
105,23
144,19
Eficiência
88,29
93,25
96,51
97,34
97,43
97,14
22
TABELA 2 : COMPARAÇÃO ENTRE SISTEMA SOLAR SEM MPPT E SISTEMAS SOLAR
COM P&O MPPT.
No
1
2
3
4
5
6
Corrente de Garga(A)
Ganho
Painel diretamente conectado na bateria Carga via MPPT %
1,794
2,08
15,94
1,28
1,443
12,73
0,55
0,6
9,09
1,15
1,3
13,04
1,21
1,35
11,57
2,13
2,5
17,37
FONTE: TEXAS INSTRUMENTS, 2013.
3.3
SUPERCAPACITORES E ULTRACAPACITORES
Um supercapacitor, megacapacitor ou ultracapacitor é um condensador
eletroquímico que tem uma extraordinária capacidade de armazenamento de
energia em relação ao seu tamanho, quando comparado a capacitores
comuns.
Assim como os capacitores comuns, estes possuem dois terminais: o
positivo e o negativo. Esses terminais quando ligados à fonte de alimentação
ou bateria irão carregá-lo, fazendo com que armazene energia. Caso seja
polarizado reversamente o capacitor estourará igualmente ao capacitor
eletrolítico.
Os engenheiros da General Electric foram os primeiros a trabalharem no
capacitor de dupla camada elétrica, cuja estrutura pode ser vista na FIGURA 5,
o que levou ao desenvolvimento de um tipo primitivo de supercapacitor em
1957, porém não houve aplicações comerciais conhecidas na época.
FIGURA 5: SUPERCAPACITOR ELETROQUÍMICO DE DUAS CAMADAS.
FONTE: WIKIPEDIA, 2014.
23
Em 1966, a Standard Oil redescobriu o efeito do capacitor de dupla
camada por acidente enquanto trabalhava em projetos experimentais de
células de combustível. A empresa não comercializou a invenção, mas
licenciou
a
NEC,
que
em
1978
comercializou
a
tecnologia
como
"supercapacitor" para aplicação em backup de memória em computadores.
(SCHINDALL, 2007).
Após a década de 1990 que os avanços em materiais e métodos de
produção levaram a um melhor desempenho e menor custo.
Os supercapacitores e ultracapacitores modernos não são baterias, mas
possuem similaridade em tecnologia de bateria usando eletrodos especiais e
eletrólitos. O capacitor de camada dupla (DLC = Double Layer Capacitor) é
fabricado à base de carbono, além disso, tem um eletrólito orgânico que é fácil
de fabricar e é o mais comum em uso hoje em dia.
Todos os capacitores têm limites de tensão. Embora o capacitor
eletrostático possa ser feito para suportar altas tensões, o ultracapacitor se
limita a tensões entre 2,5 V e 2,7 V. Submetê-los a tensões um pouco acima de
2,7 V é possível, porém há uma relevante redução de sua vida útil. Para
alcançar tensões mais elevadas os ultracapacitores são ligados em série. Isto
tem desvantagens tais como: conexão serial reduz a capacitância total e
arranjos de mais de três capacitores exigem balanceamento de tensão para
evitar sobretensão em qualquer célula, semelhante ao circuito de proteção em
baterias de Lítio.
Os ultracapacitores ainda são caros em termos de custo por Watt.
Alguns engenheiros de projeto argumentam que os recursos financeiros para o
ultracapacitor seriam melhores gastos em uma bateria maior. É necessário
perceber que o ultracapacitor e bateria química não estão em concorrência,
mas eles são produtos diferentes que servem a aplicações distintas.
(BATTERY UNIVERSITY, 2015).
Devido à curva de descarga em que a tensão do ultracapacitor diminui
até tensão zero, isto reduz o espectro de energia utilizável e grande parte da
energia armazenada, não é aproveitada dependendo da mínima tensão de
trabalho da carga alimentada. Uma solução é a utilização de conversor DC-DC
24
na saída do ultracapacitor ou banco, para garantir tensão estabilizada na saída
para uma longa faixa de tensão do supercapacitor.
No Quadro 1 estão enumeradas algumas vantagens e algumas
limitações dos ultracapacitores. Na Tabela 3 temos uma breve comparação
entre ultracapacitores e baterias, assim como na FIGURA 6 temos um resumo
gráfico de suas características comparadas com os tipos mais comuns de
baterias.
QUADRO 1: VANTAGENS E LIMITAÇÕES DOS ULTRACAPACITORES.
Ciclo de vida virtualmente ilimitado (milhões de vezes);
Alta potência específica, devido à baixa ESR, proporcionando alta
corrente;
Vantagens
Pode ser carregado em segundos. Não necessita de circuito de término
de carga;
Simples carga. Sem problemas de sobrecarga;
Excelente performance especialmente em baixas temperaturas (-40°C).
Baixa energia específica. Acumula uma fração da energia das baterias;
Auto descarga maior que das baterias;
Limitações
Baixa tensão das células. Necessidade de circuito para limitar/balancear
as células;
Não poder ser utilizado em AC ou circuitos de alta frequência;
Ainda possui alto custo por Watt.
FONTE: BATTERYUNIVERSITY.COM, 2012.
TABELA 3: COMPARAÇÃO ENTRE ULTRACAPACITORES E BATERIAS.
Item avaliado
Ultracapacitor
Bateria chumbo-ácida
Bateria de Lítio
Tempo de carga
0,3 a 30s (mínimo)
1 a 5h (mínimo)
10 a 60min (mínimo)
Tempo de descarga
Energia armazenada
(Wh/kg)
Potência específica
(W/kg)
Ciclos de vida
0,3 a 30s (mínimo)
0,3 a 3h (mínimo)
0,3 a 3h (mínimo)
1 a 10
10 a 100
100 a 200
< 10.000
< 1.000
1.000 a 3.000
1.000.000
1.000
500 a 1.000
2 a 5 anos
5 a 10 anos
0,70 a 0,85 (máximo)
0,80 a 0,92 (máximo)
-40 a 60°C
0 a 45°C
-40 a 60°C
-20 a 60°C
Anos de vida
10 a 15 anos
Eficiência na
0,85 a 0,98
carga/descarga
(máximo)
Temperatura de carga
-40 a 65°C
Temperatura de
-40 a 65°C
descarga
FONTE: BATTERYUNIVERSITY.COM, 2012.
25
FIGURA 6: RESUMO GRÁFICO DAS CARACTERÍSTICAS DOS SUPERCAPS E ALGUNS
TIPOS DE BATERIAS.
FONTE: MAXWELL, 2005.
Como os ultracapacitores se comportam fisicamente como capacitores
comuns, estão sujeitos às mesmas equações que regem sua carga e descarga.
Devido a essa particularidade foi necessário analisar e manipular
algumas equações primitivas para se obter uma fórmula que relacione
primeiramente a capacitância, a tensão no supercapacitor e o tempo com a
potência constante de descarga e, no segundo caso, outra fórmula que
relacione a capacitância, a tensão no supercapacitor e o tempo com a corrente
constante de carga.
Assim sendo, será possível calcular a mínima capacitância do banco em
função da autonomia e do consumo da carga (potência da carga), e
posteriormente o tempo de carga em função da corrente de carga e da
capacitância do banco.
Através da equação 1 é possível obter a tensão em cada instante de
tempo da descarga em potência constante. Manipulando essa equação é
possível calcular a capacitância do banco em função da potência consumida e
em função das mínima e máxima tensões de operação. Segue dedução para
descarga em potência constante.
26
(1)
A seguir dedução para carga em corrente constante. Manipulando a
equação 2 é possível obter o tempo de carga, para carga em corrente
constante.
Como ic(t) é constante no tempo, tem-se:
(2)
27
3.4
LEDS DE POTÊNCIA
O LED é um componente eletrônico semicondutor, um diodo emissor de
luz, mundialmente conhecido e denominado pela sigla inglesa LED “Light
Emitter Diode”. Ele tem a propriedade de converter energia elétrica em luz. Tal
conversão é diferente da encontrada nas lâmpadas convencionais que utilizam
filamentos metálicos, radiação ultravioleta ou descarga de gases, dentre outras.
Nos LEDs, a transformação de energia elétrica em luz é feita na matéria,
sendo, por isso, chamada de Luz de Estado sólido (Solid State Light - SSL).
O componente bipolar LED, possuir um terminal chamado catodo e outro
chamado catodo. A maneira de como é polarizado define se o mesmo permitirá
passagem de corrente ou não, consequentemente, acarretará na geração ou
não da energia luminosa.
A componente esta em evidência nos dias atuais, porém o LED foi
inventado por Nick Holonyac em 1963. Ele criou o componente na cor
vermelha, porém na época o componente foi idealizado com baixa intensidade
luminosa. Há anos o LED vem sendo utilizado somente para indicação de
estado, isto é, em aparelho eletrônico, sinalizando se o mesmo estava ligado
ou não. A aparência de um LED vermelho convencional é mostrada na
FIGURA 7, assim como seu símbolo elétrico. (LEDs MAGANIZE, 2015).
FIGURA 7: LED DE 5MM CONVENCIONAL E SEU SÍMBOLO.
FONTE: GOOGLE, 2014.
Já nos anos 60, o LED de cor amarela entre em cena. Apenas em 1975
é criado o primeiro LED verde, cujo comprimento de onda era de 550nm, o que
28
era próximo ao comprimento de onda do LED amarelo. A intensidade do verde
era superior em ordem de algumas dezenas de microcandelas.
Durante a década de 80, surgiu a tecnologia AllnGaP. Na ocasião os
LEDs de cor vermelha atingiram níveis altíssimos de intensidade luminosa o
que permitiu o processo de substituição das lâmpadas incandescentes. Porém,
nos anos noventa, com advento da tecnologia InGaN foi possível obter-se
LEDs com comprimento de onda reduzido cuja as cores eram: azul 470nm,
verde 520nm e ciano. Neste período surgiu o LED branco, consequentemente,
todos os espectros de cores visíveis poderiam ser fabricados. (SCOPACASA)
Até então todos estes LEDs de luz visível apresentavam intensidade
luminosa de no máximo 4.000 a 8.000 mcd, com um ângulo de emissão entre 8
e 30 graus. No final dos anos 90 apareceu o primeiro LED de potência,
fabricado pela Luxeon, o qual foi responsável por uma verdadeira revolução na
tecnologia dos LEDs, pois apresentava um fluxo luminoso (não mais
intensidade luminosa) da ordem de 30 a 40 lumens e um ângulo de emissão de
110 graus.
Hoje em dia é possível encontrar facilmente LEDs que atingem de 80 a
140 lm/W de eficiência ou mais, e com potências que variam de 1, 3, 5 e 10
Watts por chip, disponíveis em várias cores de emissão. Comercialmente
surgiu recentemente, em abril de 2015, LEDs brancos com eficiência de 200
lm/W, fabricados pela Nichia. Há alguns LEDs que em testes laboratoriais
atingem a marca dos 230 lm/W. Todos eles foram responsáveis pelo aumento
considerável na substituição de alguns tipos de lâmpadas em várias aplicações
de iluminação, desde automotiva e residencial até iluminação industrial.
Para ilustrar um LED de potência será citado o LED Golden Dragon do
Fabricante Osram, que pode ser visto na FIGURA 8, tanto sua aparência física
como sua estrutura construtiva.
29
FIGURA 8: LED GOLDEN DRAGON E SUA ESTRUTURA INTERNA.
FONTE: OSRAM OPTOELECTRONICS, 2011.
Para se conseguir maior potência com LEDs, necessária às aplicações
onde se exige maior fluxo luminoso. Há duas opções: associar vários LEDs
discretos em uma placa de circuito ou integrá-los em um único frame, sendo
vários chips em um mesmo módulo e com tamanho extremamente reduzido,
várias vezes menor do que se fosse utilizado LEDs discretos em uma placa,
denominado módulo COB (Chip On Board).
A luz emitida pelos LEDs é denominada “luz fria” devido ao fato de os
primeiros LEDs brancos terem surgido com temperatura de cor elevada, da
ordem de 6000 K, expressão que de modo algum pode ser confundida com
temperatura calorífica do LED.
Uma grande parte da potência aplicada no LED é transformada em
forma de calor, por isso, a utilização de dissipadores térmicos deverá ser
considerada no projeto para que o calor seja dissipado ao ambiente, permitindo
que a temperatura de junção do semicondutor (Tj), esteja dentro dos limites
especificados pelo fabricante do LED. (SCOPACASA)
Como exemplo, um LED convencional de 5 mm: nesse caso o caminho
da potência dissipada em forma de calor é o mesmo da corrente elétrica, ou
seja, pelos terminais do componente e trilhas de cobre da placa de circuito
impresso. Já em um LED de potência com encapsulamento, os caminhos
térmico e elétrico são separados e a retirada de calor é feita através do
acoplamento de um dissipador térmico à base do LED, garantindo, com isto,
uma melhor dissipação. De forma genérica, um modo de montagem e o
caminho do calor em um sistema LED podem ser vistos na FIGURA 9.
30
FIGURA 9: DISSIPAÇÃO TÉRMICA EM UM LED.
FONTE: PHOTONICS.COM, 2014.
Para cálculo do dissipador de calor necessário ao LED em função de
suas características e em função da temperatura ambiente será utilizada a
fórmula 3, referente ao circuito térmico da FIGURA 10. É possível verificar que
RthBA é a resistência térmica do dissipador, RthJS é a resistência térmica
junção-solda. Já RthSB é a resistência térmica da placa MCPCB (Metal Core
Printed Circuit Board). Tamb é a máxima temperatura ambiente estimada, Tj é
máxima temperatura de junção do LED e Pd é a potência dissipada pelo LED.
FIGURA 10: CIRCUITO TÉRMICO DE UM LED DE POTÊNCIA MONTADO EM BASE MCPCB.
FONTE: 21-LAMP.COM, 2014.
(3)
Como o objetivo do trabalho será a utilização de LEDs para iluminação
pública, devido ao fluxo luminoso requerido e índice de reprodução de cores,
31
serão utilizados e levados em consideração apenas os LEDs de potência
emitindo luz na cor branca.
Devido à constante busca por métodos e materiais que agridam menos
ao meio ambiente e que possuam alta eficiência na conversão de energia
elétrica, a motivação para investimento em iluminação em estado sólido
utilizando LEDs é enorme. Os benefícios são:
a) alta eficiência na conversão de energia elétrica em luminosa;
b) vida útil de 50.000 horas;
c) radiação luminosa sem IR ou UV;
d) alta resistência mecânica;
e) baixo custo de manutenção;
f) acionamento instantâneo;
g) fácil controle da intensidade luminosa;
h) cores vivas e saturadas sem a utilização de filtros;
i) drivers fáceis de serem desenvolvidos, com tamanho reduzido,
alto fator de potência e baixo custo em comparação com reatores
tradicionais;
j) geralmente utilizam baixa tensão o que minimiza os riscos de
choque elétrico;
k) luz direta, muitas vezes pontual, aumentando a eficiência dos
sistemas devido à possibilidade de utilização de lentes em
substituição a refletores.
3.5
LEGISLAÇÃO PARA LUMINÁRIAS EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA
As luminárias para iluminação pública destinam-se à iluminação de vias
públicas, ruas, praças, avenidas, túneis, passagens subterrâneas, jardins, vias,
estradas e passarelas.
A legislação atual vigente para luminárias aplicadas em iluminação
pública é a ditada pela norma ABNT que estabelece regras para iluminação
pública. Procedimento que estabelece os requisitos para iluminação de vias
públicas, propiciando segurança aos tráfegos de pedestres e de veículos. Ela
32
deve ter como principal objetivo proporcionar visibilidade para a segurança do
tráfego de veículos e pedestres de forma rápida, precisa e confortável.
(ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2012).
A distribuição apropriada das intensidades luminosas das luminárias é
um dos fatores essenciais de iluminação eficiente em vias. As intensidades
emitidas pelas luminárias devem ser controladas direcionalmente e distribuídas
de acordo com a necessidade para visibilidade adequada.
As distribuições de intensidades são geralmente projetadas para uma
faixa típica de condições, as quais incluem altura de montagem de luminárias,
posição transversal de luminárias (avanço), espaçamento, posicionamento,
largura das vias a serem efetivamente iluminadas, porcentagem do fluxo
luminoso na pista e áreas adjacentes, mantida a eficiência do sistema, assim
como utilização da via ou espaços.
Diferentemente dos critérios básicos adotados pela NBR5101:1992,
versão anterior dessa norma, a versão revisada de 2012 incorpora outros
parâmetros para avaliação da iluminação pública. São critérios adotados
internacionalmente, baseados na CIE115:2010 e na IESNA RP-8, e que
consideram não os níveis de iluminância sobre uma determinada área de
avaliação na via pública, mas sim qual o resultado que essa luz incidente nessa
área gera de efeito visual aos olhos de um observador padrão. (NASCIMENTO,
2012).
Essa mudança de critério de avaliação está intimamente ligada ao fato
de o ser humano não enxergar a luz que incide em uma determinada
superfície, mas sim a reflexão que essa superfície oferece aos olhos do
observador. Nesse sentido, uma vez definida uma posição padrão para esse
observador, há a possibilidade de se determinar qual a quantidade de luz que
está sendo dirigida a ele a partir de uma determinada área de avaliação.
O que está sendo avaliado é a parcela de luz que está direcionada ao
observador. O critério a ser considerado não é mais o da iluminância (lux), mas
o da luminância (cd/m2). Com isso, a versão atual da norma trata dos níveis de
luminância necessários para o atendimento das condições mínimas de
segurança para os diversos usuários das vias públicas e de alguns espaços
públicos.
33
Esta versão da norma contém um critério de avaliação para vias de uso
de pedestres, que será utilizado nesse trabalho. Isso porque a versão anterior
infelizmente não considerava ambientes para esse tipo de usuário. Nesse
sentido, a NBR 5101:2-12 (2012) faz considerações sobre o uso prioritário de
pedestres numa via e possui uma avaliação específica para isso. No Quadro 2
estão descritas as características de cada tipo de via e sua respectiva classe
de iluminação.
QUADRO 2: CLASSES DE ILUMINAÇÃO PARA CADA TIPO DE VIA
Decrição da via
Classe de iluminação
Vias de uso noturno intenso por pedestres (por exemplo,
calçadões, passeios de zonas comerciais)
P1
Vias de grande tráfego noturno de pedestres (por exemplo,
passeios de avenidas, praças, áreas de lazer)
P2
Vias de uso Noturno moderado por pedestres (por
exemplo, passeios, acostamentos)
P3
Vias de pouco uso por pedestres (por exemplo, passeios de
bairros residências)
P4
FONTE: ABNT NBR 5101:2012
Na Tabela 4 estão apresentados os níveis de iluminância e
uniformidades mínimas necessárias para atender às exigências visuais em
cada tipo de via, de acordo com a classe de iluminação.
TABELA 4: ILUMINÂNCIA MÉDIA E FATOR DE UNIFORMIDADE MÍNIMO PARA CADA
CLASSE DE ILUMINAÇÃO
FONTE: ABNT NBR 5101:2012
Essa preocupação é bastante atual e representa um avanço em
benefício dos usuários do ambiente público, particularmente os pedestres.
Diferentemente dos veículos, que possuem faróis para iluminar o local por onde
34
trafegam,
não
são
providos
de
exclusivamente da iluminação pública.
fonte
de
luz
própria,
dependendo
35
4
METODOLOGIA
A primeira etapa do projeto foi a definição do tipo de luminária, que será
do tipo autônoma, para aplicação outdoor. A segunda etapa foi o desenho do
diagrama do sistema da luminária, que pode ser visto na figura 1.
O funcionamento de cada bloco está detalhado a seguir.
painel fotovoltaico ou painel solar: será responsável por converter a
energia luminosa proveniente do sol em energia elétrica. Também funcionará
como sensor da luminosidade ambiente, para que o circuito de controle
execute a ação necessária;
conversor DC-DC controlador de carga com MPPT: em sua entrada será
conectado o painel fotovoltaico e em sua saída o banco de ultracapacitores.
Esse conversor irá carregar o banco de ultracapacitores durante os períodos de
incidência solar. Para maior eficiência no carregamento, será implementado um
controle de carga MPPT utilizando o algoritmo P&O;
banco de Ultracapacitores: sua função será armazenar carga elétrica
para ser utilizada nos períodos de baixa luminosidade, principalmente no
período noturno;
conversor DC-DC driver de LED: circuito designado a fornecer corrente
constante aos LEDs para que funcionem corretamente, sem flutuações de
potência e que garanta a alta eficiência do sistema, o que não seria conseguido
com o uso somente de resistores para limitação da corrente;
LEDs de Potência: serão as fontes de luz da luminária. Converterão
energia elétrica em energia luminosa;
Circuito de Controle: irá controlar e gerenciar toda a luminária,
controlando o DC-DC MPPT e o DC-DC driver para LEDs, e irá sinalizar o
estado da luminária.
O terceiro passo será a definição da classe de iluminação da luminária,
assim como definição da altura de instalação e distância entre as luminárias,
dados indispensáveis para o cálculo do módulo de LEDs e lentes, essas
últimas se necessário.
36
O controlador da luminária será desenvolvido em conjunto com cada
bloco, pois como irá controlá-los, suas características e especificações
dependerão de todos os demais blocos.
Será tomado por base o design de referência da empresa Texas
Instruments, denominado “PMP7647 board”, que é um projeto de hardware e
software livres, voltado ao auxílio no desenvolvimento e testes de tecnologias
para soluções solares. As fotos da placa são mostradas na FIGURA 11.
FIGURA 11: PLACA PMP7647. ESQUERDA: FACE SUPERIOR. DIREITA: FACE INFERIOR.
FONTE: TEXAS INSTRUMENTS, 2013.
A placa PMP7647 foi desenvolvida em torno do microcontrolador
MSP430F5132 de ultra baixo consumo da Texas Instruments. O alvo do design
são sistemas solares LED de baixa potência, tais como luminárias de via
pública alimentadas com energia solares. (TEXAS INSTRUMENTS, 2013)
Esta placa é capaz de carregar baterias de 12 V com até 10 A de
corrente de saída utilizando painéis de 12 V, no entanto, pode ser facilmente
adaptada para sistemas de 24 V apenas mudando os MOSFETs para 60 V.
Além disso, o projeto pode alimentar até 15 LEDs brancos em série com 700
mA de corrente. É possível adaptar o projeto para corrente no LED de até 1,1 A
com alteração mínima em hardware.
O MPPT implementado tem uma eficiência elétrica típica de 97% em
carga máxima. Este valor inclui as perdas de eficiência na proteção reversa da
bateria e do painel através dos MOSFETs de proteção de fluxo reverso, que
fazem parte do projeto. A alta eficiência é o resultado dos MOSFETs com gate
de baixa carga, fabricados pela mesma empresa, e também do layout. Outra
característica é o relativo pequeno tamanho dos componentes utilizados,
possíveis devido à alta frequência de operação dos conversores, ajustável
entre 100 e 200 kHz.
37
O projeto foi construído com perfil para carga de bateria de 12 V
chumbo-ácida e utiliza atualmente o algoritmo de rastreamento MPP “Perturb
and Observe” (P&O), dando velocidade ao processamento do MPPT.
A seção do driver de LED é um conversor boost. Sua eficiência elétrica é
cerca de 93% para 12 LEDs em 700 mA, e é cerca de 91% para 6 LEDs em
350 mA. Ele é protegido com corte da carga e do conversor durante
sobrecarga, curto-circuito e situações de carga aberta. Há também o intuito de
dimerizar os LEDs após intervalos de tempo especificados.
A Placa também é capaz de detectar a luz ambiente com base na tensão
do painel solar, sem utilizar outros sensores como, por exemplo, LDR (Light
Dependent Resistor), e tomar decisões adequadas para ligar LEDs, carregar a
bateria no modo MPPT ou ir para o modo de espera. Há também proteção da
bateria contra subtensão. O próximo do valor programado como mínimo,
escurece automaticamente os LEDs para brilho em 10% e dirigi-se depois para
o modo de baixo consumo, desligando os LEDS, quando uma maior redução
na tensão da bateria é observada. Os níveis de tensão em que essas ações
são tomadas podem ser definidos por software.
Os vários parâmetros do circuito como corrente de carga da bateria,
corrente dos LEDs, padrão do tempo de ativação dos LEDs, pontos de baixa
tensão da bateria, etc. podem ser definidos por software.
O circuito consome apenas 4mA no modo espera. Isto é, reduzindo para
menos de 1mA enquanto o circuito está na bateria sob modo de proteção de
subtensão.
Proteções contra surtos e componentes de filtragem EMI não estão
presentes na placa, e tem que ser adicionados dependendo do nível de
especificação exigida.
Estão disponíveis para livre download no site da Texas Instruments
todas as informações sobre a placa, inclusive circuito esquemático, relatório de
testes, arquivo Gerber, lista de componentes e código fonte, possibilitando a
reprodução da PCI.
Como este design da Texas Instruments servirá apenas como base para
o projeto, será necessário efetuar algumas modificações seguintes, para que
seja adequado à aplicação proposta por esse trabalho de conclusão de curso.
Principalmente pela utilização de ultracapacitores em substituição à bateria
38
chumbo-ácida, pela potência estimada de saída dos LEDs ser menor e pela
potência do painel solar estimada também ser menor.
1) Modificações em hardware:
a) adequação da entrada à tensão/corrente do painel solar a ser
utilizado ou montado;
b) adequação do conversor DC-DC controlador de carga MPPT
para a corrente de carga desejada;
c) adequação do conversor DC-DC driver dos LEDs para a
tensão/corrente dos LEDs a serem utilizados. Assim como, a adequação de
sua mínima tensão de funcionamento para a mínima atingível, pois a tensão do
banco de ultracapacitores não é constante e decresce enquanto o banco se
descarrega;
d) adequação do circuito de alimentação do circuito de controle,
pelo mesmo problema do decréscimo de tensão do banco, o que poderia
causar mau funcionamento e até o não funcionamento da luminária caso o
banco esteja com tensão muito baixa. Preferencialmente implementar
alimentação independente (alimentação secundária), que também seja advinda
do painel solar, para evitar que o circuito de controle não funcione caso a carga
disponível da alimentação primária se esgote;
e) adição do sensor de movimento, para aplicações futuras;
f) desenho do circuito esquemático com as modificações
necessárias;
g) seleção de novos componentes;
h) desenho do novo layout da PCI, com base no novo
esquemático;
2) utilização de componentes e solda LeadFree, compatíveis com a
diretiva RoHS, devido à valorização da questão ambiental da luminária.
a) modificações em software:
b) alteração da corrente de carga do banco;
c) alteração da máxima tensão de carga do banco;
d) alteração da tensão de cut-off do banco de ultracapacitores;
e) alteração da corrente do driver para LEDs;
39
Os componentes foram adquiridos, o circuito esquemático e layout foram
desenvolvidos com base nestes últimos e foi enviado o arquivo Gerber do
layout da placa para um fabricante de PCIs.
Com a chegada da PCI e dos componentes a placa foi montada
utilizando-se solda LeadFree (sem chumbo).
Desenvolveu-se também o software (firmware) para testes da placa,
baseado no código fonte original baixado do site da Texas Instruments, com o
intuito de verificar o correto funcionamento da controladora.
40
5
5.1
DESENVOLVIMENTO
CÁLCULO DO LED
Partindo do ponto de eficiência luminosa, foi selecionado o LED OSLON
SSL do fabricante Oslan, PN: 1W 5700K Oslon SSL 150 LCW CRDP.PC (BIN:
LS-7F-L1). Esse LED emite luz branca com temperatura de cor 5700K e possui
eficiência luminosa típica de 145lm/W para a classe de brilho “KZ”, e um ângulo
de abertura de 120°, totalizando 46,16 cd/W que foi calculado utilizando a
expressão 4. Foi escolhida essa temperatura de cor, pois para temperaturas
mais altas sua eficiência luminosa cresce significativamente.
(4)
Para converter o fluxo luminoso (Φ) e seu respectivo ângulo de abertura
(θ), dados respectivamente em lumens (lm) e em graus (°), para intensidade
luminosa (I), dada em candelas (cd) basta realizar a substituição dos dados na
expressão 4. As características do LED estão na Tabela 4, assim como alguns
parâmetros calculados em função da quantidade de LEDs.
TABELA 5: CARACTERÍSTICAS DO LED. FONTE: DATASHEET
LED 1W 5700K Oslon SSL 150 LCW CRDP.PC (BIN: LS-7F-L1)
Vf média do LED [V] (Grupo L1)
If por LED [A]
Potência do LED [W]
Eficiência média do LED [lm/W] (Grupo LS)
Tolerância na eficiência [%]
2,95
0,530
1,51
145,00
10,00
Fluxo luminoso do LED [lm]
Ângulo vertical resultante com lente** [°]
Eficiência da lente** [%]
Intensidade luminosa por LED [cd]
Quantidade de LEDs [pç]
Intesidade luminosa total [cd]
Potência total dos LEDs [W]
FONTE: AUTOR
197,12
120
88
55,22
6
331,30
9,8
41
Serão utilizados 6 LEDs em série. Utilizá-los em série foi optado pelos
seguintes motivos:

Com os LEDs em série, a corrente necessária para alimentá-los
será menor. Consequentemente, isso irá refletir em perdas
menores por efeito Joule nos cabos, nas trilhas da placa e no
transistor de chaveamento.

Caso os LEDs fossem dispostos em paralelo, a tensão seria
baixa, porém a corrente seria 6 vezes maior; aproximadamente
4A. Mesmo sendo do mesmo lote de fabricação, pode haver
alguma diferença em relação a tensão de um LED para outro,
com isso a corrente não seria a mesma em cada LED.
Cada LED possui ângulo de abertura do feixe luminoso igual a 120°.
Com intuito de garantir um melhor desempenho no feixe luminoso, foi optado
em se utilizar lentes de 60° concentrando o feixe no ângulo citado garantindo
uniformidade na iluminação da área alvo.
Baseando-se nos cálculos expostos, serão utilizados 6 Oslan com “Part
Number” citado, eletricamente em Série, com corrente total igual 530 mA.
Segundo o datasheet (ANEXO 1), esse LED suporta uma corrente
máxima de 800 mA, mas tanto por segurança na dissipação térmica quanto
prezando a distribuição uniforme da iluminação, optou-se por injetar 530 mA de
corrente direta e se utilizar 6 LEDs. A tensão direta para esse modelo varia de
2,8 V a 2,9 V, sendo considerado o valor mediano de 2,85 V para efeito de
cálculos. Os dados técnicos da tabela 4 serão utilizados para o projeto do
driver, assim como do dissipador de calor dos LEDs.
O valor da potência total de 9,8 W (dimerizado), desconsiderando a
eficiência do driver, será utilizado para posterior cálculo do banco de
supercapacitores em função da autonomia mínima e máxima estabelecidas no
item 4.1 “Definição dos parâmetros da Luminária”.
Após verificar todas as classes para luminárias outdoor na NBR
5101:2012, foi optado em construir o projeto na Classe P2. Segundo a Norma a
Iluminância Horizontal Média (Emed) mínima deverá ser de 10lux, sendo assim
o Fator de Uniformidade mínimo deverá ser 0,25.
42
Para determinar a altura dos postes, foi realizada a medição nas hastes
das luminárias da Universidade Federal do Paraná, onde foi verificada uma
altura de aproximadamente 4 metros. Além disso, as medidas das distâncias
entre postes também foram recolhidas. Constatou-se que o atual prédio do
departamento de Engenharia Elétrica possui uma distância média entre postes
de 12,5 m.
Com isso foi calculado a iluminância através do método da iluminância
pontual. A expressão calcula a Iuminância E, I é a intensidade luminosa da
fonte, α é o ângulo no qual se encontra o ponto em relação à fonte e h é altura
da fonte em relação a chão. Na figura 12 pode ser visualizada essa relação.
FIGURA 12: RELAÇÃO TRIGONOMÉTRICA DA ILUMINÂNCIA PONTUAL.
FONTE: AUTOR, 2014
(5)
TABELA 6: CÁLCULO DA ILUMINÂNCIA MÉDIA DAS LUMINÁRIAS
Luminária
Contribuição da Luminária Adjacente
Angulação Iluminância
Angulação Iluminância
Ponto
Distância
[°]
[lx]
Distância
[°]
[lx]
0
0,00
20,7
12,5
72,26
Ponto X=0m
1
14,04
18,9
12
71,57
Ponto X=1m
2
26,57
14,8
11,0
70,02
Ponto X=2m
3
36,87
10,6
10,0
68,20
Ponto X=3m
4
45,00
7,3
9,0
66,04
Ponto X=4m
5
51,34
5,0
8,0
63,43
Ponto X=5m
6
56,31
3,5
7,0
60,26
2,5
Ponto X=6m
7
60,26
2,5
6,0
56,31
3,5
Ponto X=7m
8
63,43
5,0
51,34
5,0
Ponto X=8m
9
66,04
4
45,00
7,3
Ponto X=9m
10
68,20
3
36,87
10,6
Ponto X=10m
11
70,02
2
26,57
14,8
Ponto X=11m
12
71,57
1
14,04
18,9
Ponto X=12m
12,5
72,26
0
0,00
20,7
Ponto X=12,5m
FONTE: AUTOR.
TOTAL
20,7
18,9
14,8
10,6
7,3
5,0
6,1
6,1
5,0
7,3
10,6
14,8
18,9
20,7
43
Foi considerado o cálculo da iluminância horizontal média em uma
luminária e também a contribuição da luminária adjacente em cada ponto, com
a intenção de atender a norma e aperfeiçoar o máximo possível o projeto dos
LEDs. Após isso, calculou-se a iluminância horizontal média (Emed). Na Tabela
6 é possível visualizar os resultados obtidos.
TABELA 7: CALCULO DA ILUMINÂNCIA MÉDIA DAS LUMINÁRIAS
Emed
11,9
Resumo dos cálculos
Emed após 100.000h
9,9
luminotécnicos
U
0,4
IRC típico do LED [%]
72
FONTE: AUTOR.
Através dos resultados da Tabela 7 foi possível ter uma Iluminância
Horizontal Média (Emed) de 11,9 lux e um fator de Uniformidade Médio de 0,4.
Segundo o Datasheet, após 100.000 horas para uma corrente de 530 mA e
uma Temperatura de Junção de 85°, o LED possuirá uma perda de 17% na sua
intensidade luminosa, com isso Emed ficará em 9,9 lux. Portanto, mesmo após
as 100.000h os LEDs continuarão atendendo a norma.
5.2
CÁLCULO DO DISSIPADOR PARA CADA LED
Sabendo que os LEDs de potência dissipam muito calor e que há a
necessidade de se garantir a integridade do Diodo Emissor de Luz, realizou-se
dimensionado os dissipadores de cada um dos LEDs utilizados no sistema.
Tomando conhecimento de todas as características do LED contidas
na Tabela 5, foi definida a Mínima Resistência Térmica necessária para o
Dissipador (Rth B-A) através da expressão 6. Com isso foi obtido um valor de
aproximadamente 45,19 °C/W.
(6)
Sabendo a resistência térmica mínima, procuraram-se vários modelos
de dissipadores disponíveis no mercado. Verificando todos os parâmetros
44
disponíveis no catálogo e site de cada fabricante, foi escolhido o Dissipador
HS2816 do fabricante HS Dissipadores.
TABELA 8: CÁLCULO DA ILUMINÂNCIA MÉDIA DAS LUMINÁRIAS
Tj
Pd
Rth J-S
Rth S-B
Rth B-A
Tamb
DeltaT
Rth B-A
135
1,51
9,6
1,5
?
50
85
45,19
°C
W
°C/W
°C/W
°C/W
°C
°C
°C/W
Temperatura de junção máxima
Potência dissipada (VfxIf) considerando 1 LED por dissipador
Resistência térmica Junção/Solda (Power pad do case)
Resistência térmica Base/Placa (placa de circuito de alumínio)
Resistência térmica Placa/Ambiente (dissipador)
Temperatura ambiente (depende do local a ser instalado)
Diferença entre as temperaturas Tj e Tamb
Mínima resistência térmica necessária do dissipador
Fonte: Autor.
O
dissipador
possuía
as
características
necessárias
para
o
dimensionamento do sistema na forma adequada são elas: o seu tamanho
reduzido, possuía uma ótima resistência térmica e a disponibilidade para
compra no mercado. O produto e suas dimensões podem ser visualizados na
Figura 13.
FIGURA 13: DISSIPADOR SELECIONADO PARA O SISTEMA.
FONTE: AUTOR, 2014
Após realizar a consulta das propriedades físicas do dissipador no
datasheet do fabricante. Calculou-se a resistência resultante do dissipador
onde foi multiplicado a resistência térmica do dissipador do datasheet pelo fator
de correção para o dissipador para o tamanho reduzido (15 mm). Após obter o
valor das variáveis descritas, foi obtido uma temperatura de junção (Tj) de 98°.
Os resultados mostram que será possível utilizar com segurança o
dissipador modelo HS2816, com 15 mm de comprimento, pois sua resistência
térmica é muito inferir à mínima necessária, calculada na Tabela 8, resultando
em uma temperatura de junção do LED de apenas 98 ºC, temperatura bastante
inferior à máxima suportada, o que irá garantir uma longa vida útil ao LED.
45
5.3
CÁLCULO DO BANCO DE SUPERCAPACITORES
De posse dos dados do conjunto de LEDs e dos dados dos
supercapacitores, prosseguiu-se para o cálculo da capacitância e tensão do
banco de supercapacitores necessário para atender a demanda de consumo
de energia elétrica durante a autonomia do sistema, a saber, mínima de 12
horas (Período Noturno).
Segundo a sessão de metodologia desse documento, os LEDs foram
dimerizados para que haja eficiência e economia no projeto. A potência dos 6
LEDs em série é de 9,8 W. A dimerização será capaz de gerar uma economia
de 40%, essa taxa foi baseada em um artigo sobre Iluminação pública com
lâmpadas de vapor sódio usando dimerização automática em horário fixo.
(JUNIOR; KOPTE; FEITOSA, 2012).
Considerando que a potência no LEDs é de 9,8 W e a economia
gerada pela dimerização e de 40%, foi multiplicado o valor da potência por
0,6m sendo assim a carga é Pcarga é de 5,88 W. Já a tensão máxima do
banco irá fornecer é de 7,9 V, a Tensão mínima 0,8 V e uma autonomia de
43200 segundos (12 horas). Foi calculada a Energia total necessária
multiplicando a potência da carga pelo tempo necessário e foi obtido 254016 J.
TABELA 9: CÁLCULO DA CAPACITÂNCIA EM FUNÇÃO DA AUTONOMIA
Parâmetros
Vmax
Vmin
Autonomia
Pcarga
Resultados
Energia Necessária
CapTotal
7,9 V
0,8 V
43200 seg 12,00
5,88 W
254016,0
8224,575
h
J
F
FONTE: AUTOR.
Através da expressão 1 é possível obter a tensão em cada instante de
tempo da descarga em potência constante, consequentemente, isolamos a
capacitância total necessária e substituímos as variáveis na expressão. Após a
46
realização dos cálculos obteve-se uma capacitância total de 8224,575 F. Os
detalhes dos resultados podem ser visualizados na Tabela 9.
Após ser definida a Capacitância Total, o custo total do Banco de
Ultracapacitores pôde ser obtido. Considerando três Capacitores de 3000 F e
ao mesmo tempo nove em série obtendo uma Capacitância Equivalente total
de 9000 F. A quantidade total de ultracapacitores foi de 27 unidades,
considerando que o custo unitário é de R$ 402, o custo total do Banco
Ultracapacitores
foi
de
R$
10.854,00.
Tornando
o
projeto
inviável
financeiramente.
Como o grupo tem a intenção de provar o conceito do projeto, decidiu-se
por outra capacitância mais baixa para tornar o projeto viável. Uma
capacitância total de 2000 F, em um total de 6 capacitores, onde há 3 módulos
de 2 capacitores em paralelo, e estes módulos foram dispostos em série.
Aplicando o cálculo inverso, foi obtida uma autonomia de 10505,1 segundos
(2,42 horas). Considerando o custo supracitado, foi obtido um custo total de
R$ 2.412,00, tornando o custo mais acessível. Os detalhes estão contidos na
Tabela 10.
TABELA 10: CÁLCULO DA CAPACITÂNCIA EM FUNÇÃO DA AUTONOMIA
Parâmetros
Vmax
Vmin
CapTotal Eq
Pcarga
Resultados
Energia Disponível
Autonomia real
7,9
0,8
2000,00
5,88
V
V
F
W
61770,0
10505,1
J
seg
2,92
h
FONTE: AUTOR.
O conversor boost LM2623, que é responsável em aumentar a tensão do
banco e do painel de modo eficiente, é capaz de operar a 0,8 V na sua entrada
(será detalhado no decorrer do documento) e a uma tensão máxima de
operação de 7,9 V. Verificou-se o tempo necessário para que o banco de
ultracapacitores realize a sua carga completa, ou seja, após o banco se
descarregar, qual seria o tempo para que o sistema obtivesse toda sua
capacidade de energia.
47
Uma vez obtendo os valores de tensão mínima e máxima do banco,
calculou-se a carga máxima e mínima do sistema. Através desses valores é
possível verificar o tempo de carga mínimo e máximo, para que o Banco fique
totalmente carregado. Os resultados estão expostos na Tabela 11.
Também foi possível analisar qual seria a utilização da energia
Acumulada. Para 2000 F a energia útil será de 61770 J, considerando a carga
para a tensão mínima de 0,8 V para o funcionamento do sistema, a energia
residual será de 640 J. Com essas informações foi obtido o percentual de
energia acumulada, contido na Tabela 12.
TABELA 11: CÁLCULO DO TEMPO DE CARREGAMENTO FUNÇÃO DO BANCO
Parâmetros
Vmax
Vmin
CapTotal
Corrente de carga
Resultados
Carga Máx e Mín
Tcarga Mín
Tcarga Máx
7,9
0,8
2000
1
15800,0
14200,0
15800,0
V
V
F
A
*constante
C
seg
seg
1600,0 C
3,94 h
4,39 h
FONTE: AUTOR.
TABELA 12: CÁLCULO UTILIZAÇÃO DA ENERGIA ACUMULADA
Energia total acumulada:
Energia residual:
Energia útil (em função de dV):
62410,000 J
640,000 J
61770,000 J
98,97 %
FONTE: AUTOR.
Há a necessidade de equilibrar as cargas e limitar a tensão em cada
célula, visto que estão em série, pois qualquer diferença de capacitância entre
uma célula e outra gerará uma diferença de potencial entre as elas. Essa
discrepância entre as tensões pode ser tão alta a ponto de ocasionar
sobretensão em uma ou mais células, danificando-as. Para prevenir essa falha
é necessário utilizar um circuito que balanceie e limite essa tensão. Deverá
haver tantos circuitos quantos forem as células em série.
Um método simples, mas eficaz, é utilizar somente um limitador de
tensão acionado por um comparador. De certo modo ele equilibra as tensões
nas células, para tensões próximas da máxima.
48
Seu funcionamento é o seguinte: na entrada de um comparador há dois
sinais, sendo um de referência, fixo, e outro vindo de um divisor de tensão
resistivo, que é uma amostra da tensão sobre a célula. Quando a tensão
monitorada excede a tensão de referência o comparador satura positivamente
sua saída, acionando um transistor MOS que está em série com um resistor de
baixa resistência ôhmica, que estão em paralelo com a célula, descarregando-a
e, consequentemente, diminuindo a tensão em seus terminais.
Como as tensões envolvidas são baixas há a necessidade de utilização
de componentes que funcionem com esses níveis de tensão, principalmente o
CI comparador. O exemplo desse circuito, desenvolvido pelo projetista Dave
Johson e ilustrado pode ser visualizado na figura 14.
FIGURA 14: CIRCUITO PARA LIMITAÇÃO DA TENSÃO EM CADA SUPERCAPACITOR.
FONTE: ADAPTADO DE DAVE JOHSON.
O AOP LMP2231 foi desenvolvido para trabalhar com tensão de
alimentação simples de 1,6 V a 5,5 V, o que atenderá a essa aplicação, visto
que a tensão máxima de cada célula é 2,7 V. Isto garantirá que o AOP fique
ativo, monitorando essa tensão, bem antes de atuar limitando-a, caso
necessário.
O transistor MOS canal N também foi concebido para trabalhar em
baixa tensão, principalmente em relação à tensão Vgs. Como exemplo, podese citar alguns dados que constam no datasheet: para um Vgs 2,5 V e uma
corrente Id = 1,5 A, sua Rds típica é de apenas 36 mΩ, e para um Vgs = 1,8 V
e Id = 1,0 A tem-se uma Rds típica de apenas 44 mΩ, garantindo, em ambos
os casos, baixa perda por efeito Joule sobre o transistor.
49
Todos os componentes foram criteriosamente selecionados pelo
projetista no que se diz respeito à faixa de alimentação e também ao baixo
consumo de corrente, de modo a não influenciar significativamente na
autodescarga das células quando em modo standby. O consumo aproximado
calculado de cada circuito em 2,5 V é de apenas 66,90 uA.
5.4
CÁLCULO MÓDULO SOLAR
Após dimensionar os LEDs, o banco de ultracapacitores e sistemas
relacionados, realizou-se o dimensionamento do módulo solar para alimentar o
circuito de controle e ao mesmo tempo realizar o carregamento do banco.
Foram selecionadas células fotovoltaicas de 45x52 mm, com tensão
nominal da célula de 0,5 V, já a corrente nominal da Célula é de 0,68 A.
Sabendo que a tensão mínima para carregar o banco é de 8,1V, foi definido
que 18 células seriam ligadas em série gerando uma tensão total de 9 V, com
isso foi possível definir a potência por módulo em 6,12 W. Para melhorar o
fornecimento de corrente, serão colocados dois módulos de 18 células em
parelho totalizando uma potência total 12,24 W.
FIGURA 15: CÉLULAS SOLARES
FONTE: FABRICANTE
50
TABELA 13: TEMPOS DE CARGA ATUALIZADOS EM FUNÇÃO DA NOVA CORRENTE DE
CARGA.
Tensão do Módulo
Corrente mínima do Módulo
Tamanho da Célula
Tensão nominal da Célula
Corrente nominal da Célula
Células por Módulo
Tensão por Módulo
Potência por Módulo
Quantidade de módulos em paralelo
9V
1A
45x52mm
0,5V
0,68A
18
9V
6,12
2
Potência Total do Painel
12,24
FONTE: AUTORES.
5.5
DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DA CONTROLADORA
Como dito na sessão de metodologia o design de referência da Texas
Instruments “PMP7647 Board” (ANEXO 2), foi selecionado como base para o
projeto. Como a placa é muito similar ao que foi proposto, o projeto foi
escolhido em função das suas características construtivas.
O circuito proposto (APÊNDICE 1), apresenta o circuito completo
contendo todos os drives e partes necessárias para seu funcionamento. Será
tratado cada parte de maneira individual, detalhando o funcionamento e
características do circuito proposto.
5.5.1 Driver LED
Para ligar os seis LEDs dispostos em série, foi utilizado um drive DC-DC
usando como referência o Design da Texas instruments (ANEXO2). O circuito
deverá fornecer corrente constante aos LEDs, sem que haja flutuações de
potência. Além disso, é importante considerar que o circuito deverá possuir alta
eficiência, o que não é possível utilizando resistores em função das perdas por
efeito joule.
51
Na Figura 16 é possível verificar um conversor Boost que tem o objetivo
de converter a tensão DC (corrente contínua) do banco de ultrapacacitores de
7,95 V para 17 V. No J2 é constituída pela saída da tensão do banco de
ultracapacitores, em paralelo pode-se verificar o C7, que é um capacitor
responsável por diminuir as oscilações da tensão na entrada do conversor
boost.
Quando a chave representada pelo MOSFET canal n Q5 estiver ligada,
o indutor estará diretamente na alimentação do circuito, isto é, diretamente no
banco de ultracapacitores. A tensão do Indutor L2 irá ser a mesma da do
banco, mas a correte aumentará de maneira linear e armazenará energia no
campo magnético. Quando a chave abrir, a corrente irá cair intensamente e a
energia armazenada no indutor será transferida para o Capacitor C8. A partir
deste momento a polaridade no indutor (fornecerá energia à carga) será
alterada e a tensão no indutor se somará ao da fonte, aumentando a tensão
sobre carga. Neste instante, não haverá corrente sobre a chave do circuito.
(AHMED, 2000).
FIGURA 16: DRIVER DC-DC PARA ALIMETAÇÃO DOS LEDS E UM CIRCUITO
BOOST EXEMPLIFICANDO O CIRCUITO.
FONTE: AUTOR
52
Segundo a Tabela 5, a tensão de cada LED deverá ser 2,95 V, portanto,
a tensão de saída do conversor deverá ser seis vezes esse valor, gerando 17,7
V. Para obter um valor o ciclo de trabalho foi utilizado à expressão 7, onde
relaciona o ciclo de trabalho com as tensões de entrada e de saída dos
conversores BOOST.
(7)
Para se obter o ciclo de trabalho para o circuito proposto, deve-se
substituir a tensão de entrada V0 por 7,95 V e Vi por 17,7 V. Substituindo as
variáveis, o ciclo de trabalho para a maior tensão possível será 53%.
Considerando que o conversor boost de alimentação dos drives pode trabalhar
com 0,8 V segundo o seu datasheets, também foi obtido o valor do ciclo para a
tensão mínima: 96%. Para garantir essa alteração do ciclo de trabalho, L+ será
responsável em monitorar a tensão de saída do conversor.
Como pode ser visualizado na Figura 16, LS será responsável em
realizar o monitoramento de corrente através de resistores shunt com o intuito
e deixar a corrente no circuito constante. Os valores dos capacitores e
indutores foram utilizados os mesmo do circuito de referência da Texas. Já os
componentes passivos utilizados no drive responsável pelo chaveamento,
foram selecionados a partir do application notes.
5.5.2 Conversor DC-DC para carga do Banco de Ultracapacitores
Para realizar o carregamento do banco de ultracapacitores, é necessário
um circuito que realize a redução da tensão em corrente contínua sem que
tenha muitas perdas com a redução como acontece em divisores resistivos a
partir do Módulo Solar. Neste caso entra o conversor chaveado Buck, que é
capaz de realizar a conversão DC de uma respectiva tensão para uma tensão
mais baixa.
Na figura 17 é possível verificar um conversor Buck que realiza a
conversão da tensão do Módulo Solar de 9 V para uma tensão de 3 células de
2,7 V em série de ultracapacitores, somando um total de 7,95 V. O jumper J1 é
53
a entrada do módulo solar, em paralelo há um capacitor para evitar oscilações
da saída do módulo para o circuito. Logo após já possível visualizar a chave do
conversor representado por Q2. Já Q3 é o diodo do circuito que foi optado em
ser chaveado para reduzir as perdas de potência no diodo, L1 é o indutor
acumulador de energia no conversor e os capacitores C6 e C6.1 são os
capacitores da fonte chaveada.
Na saída o banco de ultracapacitores é carregando quando o circuito
está em funcionamento. U2 é o Driver responsável pelo chaveamento dos
Mosfets canal n. Em P+ e B+ é realizado o monitoramento da tensão do
módulo e do Banco respectivamente.
FIGURA 17: CONVERSOR DC-DC PARA A CARGA DO BANCO DE ULTRAPACITORES.
FONTE: AUTOR
Quando a chave Q2 for fechada, o diodo estará inversamente
polarizado. A corrente da entrada então cresce de maneira exponencial e flui
através do Indutor L1 e no banco de ultracapacitores. Quando a chave Q3 é
aberta
a
corrente
no
indutor
L1
começa
a
cair
até
se
anular,
consequentemente, isso provoca uma tensão reversa no indutor. A tensão do
54
Indutor agora polariza o diodo e a corrente vai para os ultracapacitores. Sendo
assim, a energia armazenada em L1 é entregue ao banco de ultracapacitores.
(AHMED, 2000).
Segundo a tabela 13, o módulo solar irá alimentar o circuito com 9 V,
sabendo que a tensão máxima suportada pelo banco de ultracapacitores é 2,65
V vezes 3 módulos; seria um total de 7,95 V. Para obter um valor o ciclo de
trabalho utilizou-se a expressão 8, onde relaciona o ciclo de trabalho com as
tensões de entrada e de saída dos conversores buck.
(8)
Para obter o ciclo de trabalho para o circuito proposto, deve-se substituir
a tensão de entrada V0 por 9 V e Vi por 7,95V. Realizando a troca das
variáveis, o ciclo de trabalho para a tensão proposta será de 88%. Para garantir
essa tensão, B+ será monitorada todo o tempo.
Como pode ser visualizado na Figura 16, B_S será responsável em
realizar o monitoramento de resistores shunt com o intuito de realizar o
monitoramento da corrente no módulo solar. Os valores dos capacitores e
indutores foram utilizados os mesmo do circuito de referência da Texas. Já os
componentes passivos utilizados no Drive responsável pelo chaveamento,
foram selecionados a partir do application notes.
5.5.3 Conversor Boost para Alimentação dos Transistores dos Conversores
DC-DC
Com o intuito de aumentar a eficiência do sistema e garantir a tensão de
alimentação do circuito de potência, utilizou-se um conversor boost para
alimentação dos drivers dos transistores dos conversores DC-DC e do
amplificador operacional do sensor de corrente de carga. Esse conversor irá
assegurar a tensão mínima de 9 V necessária para alimentação do CI driver
LM25101, que segundo o datasheet (ANEXO 3), a tensão recomendada de
operação desse driver responsável pelo chaveamento dos transistores Q2
55
(chave do conversor Buck) e Q3 (diodo do conversor buck) contido na Figura
18. Haverá também redução de perdas nos circuitos de chaveamentos dos
conversores devido à Rds de cada transistor ser menor para tensão de gate
igual à 10 V do que para tensões menores.
O conversor boost auxiliar, além de elevar a tensão do banco de
ultracaps, a manterá constante próxima a 10 V, mesmo com a descarga do
banco até o mínimo de 0,8 V.
Na Figura 18, é possível verificar um conversor boost para alimentação
do microcontrolador e dos drives que são utilizados para o chaveamento dos
MOSFETs. É possível notar que a alimentação pode ser pelo B+ (banco de
ultracapacitores)
ou
pelo
P+
(módulo
solar).
Isso
trás
garantia
de
funcionamento ao circuito. Caso esteja totalmente escuro e o banco esteja
totalmente carregado, o mesmo será responsável em alimentar todo o circuito.
Quando o banco descarregar (previsão começa da manhã), o sol já
estará fornecendo energia ao módulo solar, consequentemente, possibilitará
que o conversor forneça energia independentemente da situação.
FIGURA 18: BOOST REPONSÁVEL PELA ALIMENTAÇÃO DO CIRCUITO
FONTE: AUTOR
O LM2623 é um circuito integrado controlador, com transistor de
potência integrado, para conversor boost. O seu ciclo de trabalho é ajustado
pelo capacitor C31. Segundo o seu datasheet (ANEXO 4), para se determinar a
tensão de saída que no caso seria VCC_1 (Figura 18), basta aplicar as tensões
requeridas na expressão 8 e ajustar os resistores R46 e R47.
56
(8)
Os valores foram ajustados de modo que houvesse na saída uma tensão
de 9,946V, mais que suficiente para alimentar os drivers. Com isso os valores
dos resistores ficaram em R46=330 kΩ e R47=47 kΩ. Demais valores dos
outros componentes foram utilizados através do aplications notes do produto.
5.5.4 Regulador de Tensão para Alimentação do Microcontrolador, AOP e
Sensor de Movimento.
Na saída boost responsável pela alimentação é ligado diretamente em
um regulador linear que é responsável em realizar a alimentação do
microcontrolador, do amplificador operacional e do sensor de movimento.
Optou-se em usar um regulador linear em função do baixo consumo dos
componentes no qual o mesmo alimenta. Com a intenção de simplificar e
reduzir a quantidade de componentes foi decidido não utilizar mais um
conversor para os componentes pós-regulador.
Na Figura 19, é possível visualizar a alimentação no ponto de R21
proveniente do boost. Já na saída do regulador, é possível verificar que V_REG
está em uma jumper ligação 3 e 2 para o VDD que realiza toda alimentação do
circuito. Esse jumper se for ligado em 1 e 2 é usado para realizar a
programação do microcontrolador diretamente na placa através spy-by-wire.
57
FIGURA 19: REGULADOR LINEAR PARA ALIMENTAÇÃO DO CIRCUITO
FONTE: AUTOR
5.5.5 Microcontrolador e Circuito Amplificador do Sensor de Corrente de
Carga do Banco.
O circuito de controle será realizado por Microcontrolador da Texas
Instruments MSP430F5132. Dentre suas principais características estão:

8 KB FLASH

1K SRAM

3 timers com 3 Instancias, com resolução máxima 16 bits

gerador interno de Clock para Timer_D pode chegar a 1,07 GHz

2 módulos de comunição serial

euporta UART, IrDA, SPI e I2C

10 canais ADCs de 10 bits, sendo 8 ext, 2 int

módulo comparador com 15 canais

29 pinos de I/O

alimentação: 1.8 -3.6 V

ultra baixo consumo: Modo ativo=180 uA por Mhz, Modo standby
1.1uA em 3 V.

CPU Risk 16 Bits

máxima frenquência da CPU 25 Mhz

pullup ou Pulldown internos configuráveis
58
Na figura 20, o microcontrolador monitora através do ADC as tensões B+
(tensão do banco), P+ (tensão do módulo solar) e L+ (tensão de saída do
conversor boost). Além disso, as correntes através do resistor shunt de B_I
(banco de Ultrapacitores) e a L_I (Corrente do boost do LED). O
dimensionamento da resolução dos ADCs estão no apêndice 3.
A corrente de B_I é proveniente da corrente em que o banco de
ultrapacacitores é carregado (B_S). Como neste caso, o valor da resistência do
shunt é muito baixo optou-se em realizar a amplificação da tensão para que a
resolução das medições fossem maiores.
As saídas P1.7, P2.0 e P2.2 do microcontroladores, são responsáveis
em realizar o chaveamento dos MOSFETS dos conversores DC-DC. PW_H
será responsável pela chave do conversor buck, enquanto PW_L pelo diodo e
PW_B pelo conversor boost que alimenta os LEDs.
As entradas P3.5 receberá os sensores para ser realizada a dimerização
do sistema, aumentando sua eficiência. A entrada do ADC do P+ possui um
circuito contra tensão reversa do módulo solar. Caso tensão esteja no sentido
correto, o transistor Q11 irá conduzir. Caso esteja no sentido incorreto Q11 irá
cortar não deixando a tensão reversa chegar ao microcontrolador, protegendo
a entrada do mesmo.
59
FIGURA 20: REGULADOR LINEAR PARA ALIMENTAÇÃO DO CIRCUITO
FONTE: AUTOR
5.5.6 Firmware
O firmware embarcado no microcontrolador é responsável pelas funções
seguintes. Os sinais em parênteses podem ser visualizados no circuito
esquemático do Apêndice 1.
a) monitorar a tensão do Módulo Solar (P+);
b) monitorar a corrente de carga do banco de ultracaps (B_I);
c) monitorar a tensão do banco de ultracapacitores (B+);
d) monitorar a tensão de saída do driver dos LEDs (L+);
e) monitorar a corrente de saída do driver dos LEDs (L_S);
f) monitorar os sensores infravermelho para a detecção de movimento,
não implementada no momento;
g) executar a rotina do MPPT quando em modo de carga do banco;
h) executar o controle da corrente nos LEDs quando em modo de carga
ativa;
60
i) gerar os sinais PWM complementares para o conversor buck;
j) gerar o sinal PWM para o conversor boost;
k) gerenciar as proteções contra sobretensão e sobrecorrente no módulo
solar, banco e LEDs.
O código está disponível integralmente no Apêndice 4 e pode ser
dividido em 5 partes:
a) definição das constantes e declaração das variáveis e bibliotecas;
b) programa principal;
c) funções de inicialização/configuração;
d) funções gerais;
e) funções de tratamento das interrupções.
O funcionamento do código (APÊNDICE 5) pode ser entendido
verificando o fluxograma do firmware, na figura 21.
Começa-se com a inicialização do sistema, onde o hardware do
microcontrolador,
ou
seja,
seus
módulos
internos
são
configurados,
inicialização esta indicada pelos LEDs 1 e 2.
Após a conclusão da inicialização as condições iniciais são verificadas,
para que se estime o ciclo de trabalho do conversor buck de carga do banco.
Assume-se também que a máquina de estados irá iniciar no estado aqui
denominado “INIC_MPPT” e no código denominado “START_MPPT_STATE”.
Ao entrar nesse primeiro estado as configurações básicas para funcionamento
do MPPT são carregadas. No estado seguinte, denominado “MPPT”, as
condições de tensão do Módulo e banco são verificadas: se dentro da faixa
operacional, entre 4 V e 12 V, inicia a carga e o MPPT. Se não estiver dentro
do
61
FIGURA 21: CORRENTE MEDIDA NOS LEDS.
FONTE: AUTOR (2015).
range estabelecido ou se a carga estiver completa, entra no estado
“STBY_LPM3”.
Considerando o funcionamento normal, no estado “STBY_LPM3” são
analisadas as variáveis, caso a tensão do Módulo solar esteja abaixo de 4V
62
indica que a luminosidade ambiente está abaixo, sendo necessário que se ligue
os LEDs, para iluminação do ambiente. Sendo assim, passa ao estado
“INIC_LOAD”, cujo nome no código é “START_LOAD_MANAGEMENT”, onde
as configurações iniciais do modo seguinte são carregadas.
No
próximo
estado,
“CTRL_LOAD”
(no
código
“LOAD_MANAGEMENT_STATE”), o conversor boost que alimenta os LEDs é
ligado e o controle de corrente é feito utilizando um controlador proporcional
implementado no firmware. A proteção contra sobrecorrente, que é a mais
crítica, é gerenciada pelo módulo interno denominado “COMPARATOR_B”, que
é um comparador analógico de tensão, com interface digital via registradores.
Quando sobrecorrente é detectada esse módulo gera uma interrupção na CPU
e essa interrupção é tratada. A proteção contra sobretensão, como não é
crítica, é executada via software. Constantemente a tensão do banco também é
monitorada e, se abaixo de 1V, o estado é alterado para “STBY_LPM4”. Caso a
tensão do módulo solar retorne à faixa ativa, os LEDs são desligados e é
gerado um sinal de reset via software, fazendo com que se retome o estado
inicial.
No estado “STBY_LPM4”, para máxima economia de energia, todos os
módulos internos do MCU são desligados, exceto o comparador analógico,
sendo sua interrupção mantida habilitada. Suas entradas são reconfiguradas
para monitorar a tensão do módulo solar e, se essa tensão for maior que 4V, o
microcontrador “acorda” e é gerado um reset via software, reiniciando o MCU,
para que volte ao estado inicial.
Diferentemente do modo “STBY_LPM4”, no modo “STBY_LPM3” são
desligados somente os timers que geram os sinais PWM para os conversores
DC-DC, o watch dog timer é reconfigurado para intervalo de 250 ms. Em cada
tratamento dessa interrupção a tensão do Módulo é verificada, para tomada de
decisão do estado seguinte, ou se irá continuar em modo de espera.
Quando o MCU opera no modo de carga do banco ou acionamento dos
LEDs, o watch dog timer é configurado com intervalo de 32 ms, sendo essa a
base de tempo para as conversões do ADC.
Há um quarto timer, denominado TIMER_A, que opera com base de
tempo de 1ms, servindo para a dimerização horária programada. No momento
não foi possível implementar a dimerização sensorizada.
63
6
RESULTADOS
Ao concluir a montagem do protótipo (APÊNDICE 4) e parcialmente a
programação do protótipo, foram realizadas medições para comprovação do
que foi proposto nas sessões de desenvolvimento do projeto.
O primeiro passo foi a mensuração das tensões, corrente e ciclo de
trabalho do driver boost utilizado para realizar a alimentação dos LEDs. Para
aquisição de sinais, utilizou-se um Osciloscópio Digital Portátil de 200 MHZ
com 2 Canais e com multímetro.
Para obter ciclo de trabalho, uma ponta de prova do osciloscópio foi
direcionada ao Gate da MOSFET Canal n. Na figura 22, pode ser observado
que o MOSFET responsável pelo chaveamento do conversor é Q5. Observouse um ciclo de trabalho de aproximadamente 51,8%, para 8 V de entrada, o
que foi satisfatório considerando que o resultado teórico na sessão 6.5.1 foi de
53%.
FIGURA 22: CICLO DE TRABALHO PARA CONVERSOR BOOST DOS LEDS .
Fonte: AUTOR(2015).
Segundo resultado teórico, a tensão necessária para alimentar os LEDs
seria de 17,1V, mantendo a corrente constante de 530 mA nos LEDs para
manter o fluxo luminoso. Posicionando uma ponta de prova em L+ (tensão) e
64
L_S (Corrente) na figura 15, foram obtidos uma tensão de saída do conversor
boost de 18.0 V(figura 23) e uma tensão de 400 mV (Figura 24), ou seja, uma
corrente de 533 mA usando lei de Ohm no resistor shunt. Executando a
medição direta da corrente, com o multímetro, obteve-se 529 mA.
FIGURA 23: TENSÃO APLICADA NOS LEDS.
FONTE: AUTOR (2015).
FIGURA 24: CORRENTE MEDIDA NOS LEDS.
FONTE: AUTOR (2015).
No conversor buck da entrada, dedicado à carga do banco de
ultracapacitores, os sinais PWM aplicados aos transistores MOS via driver são
complementares, como pode ser observado na figura 25. O sinal em amarelo é
65
o aplicado ao transistor Q2 e o sinal em azul é o aplicado ao transistor Q3 (vide
esquema no Apêndice 1).
FIGURA 25: SINAIS PWM COMPLEMENTARES NO BUCK.
FONTE: AUTOR (2015).
De modo a garantir que não haja curto de braço foi necessário utilizar
tempo morto nos sinais, implementado via software e timer do MCU, pois o CI
driver para os MOSFETs não possui esse recurso. O tempo morto calculado é
de 32 ns. O implementado no timer foi de 50 ns, por garantia. O detalhe do
tempo morto pode ser visto na figura 26.
FIGURA 26: TEMPO MORTO NOS SINAIS PWM DO BUCK
FONTE: AUTOR (2015).
66
7
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Foi projetado e construído um sistema de iluminação LED, outdoor,
autônomo, microcontrolado, sustentado por um banco de ultracapacitores,
cujas especificações foram baseadas na norma ABNT NBR 5101:2012, sendo
dedicada para uso em passeios e praças, ou seja, para uso em vias de
pedestres.
O firmware desenvolvido executa a carga do banco do ultracapacitores,
utilizando o método MPPT, para maior eficiência do sistema. Quando
carregado e com baixa tensão no Módulo os LEDs são ligados, alimentados
pelo banco através de um conversor boost com saída em corrente constante.
Tanto a corrente/tensão de carga quanto a corrente/tensão dos LEDs
estão dentro dos parâmetros calculados, com desvios aceitáveis.
Como foram utilizados compensadores somente proporcionais, foi
necessário manter os setpoints um pouco maiores do que o calculado, para
que os níveis fossem alcançados. O firmware também possui algumas
instabilidades nos compensadores, que acredita-se sanar com a otimização do
código e utilização de compensador PI ou PID. Outra causa para a
instabilidade de corrente nos LEDs pode ser a baixa tensão na entrada
analógica do canal de corrente da carga, que pode ser solucionada utilizando
amplificador operacional, como na medição da corrente de carga.
Devido ao tempo, não foi possível implementar nesse protótipo a
dimerização sensorizada, mas somente a horária.
Como resultado final do projeto obteve-se um protótipo de luminária LED
outdoor,
autônoma,
microcontrolada,
sustentada
por
um
banco
de
ultracapacitores, com acionamento automático por detecção de baixa
luminosidade e dimerizável automaticamente, porém com dimerização horária.
O projeto foi efetuado em conjunto com o aluno Brenno Brummel de
Figueiredo. O mesmo dará continuidade ao projeto finalizando o algoritmo e
aplicando tecnologia de célula solar concentrada.
67
REFERÊNCIAS
AHMED, A. Eletrônica de Potência. São Paulo, SP: PRENTICE-HALL, 2000.
ALI, M.; ORABI, M.; ABDELKARIM, E.; QAHOUQ, J.A.A.; AROUDI, A.E.
Design and development of energy-free solar street LED light system.
Innovative Smart Grid Technologies - Middle East (ISGT Middle East), 2011.
IEEE PES conference on DOI: 10.1109/ISGT-MidEast.2011.6220812.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5101:2-12.
Iluminação Pública – Procedimento. Rio de Janeiro, 2012.
BATTERY UNIVERSITY. How does a supercapacitor works?. Disponível:<
http://batteryuniversity.com/LEARN/ARTICLE/WHATS_THE_ROLE_OF_THE_
SUPERCAPACITOR>. Acesso em: 03 mai. 2015.
BEDIN, A. M. AKAIAKÁ - Luminária Urbana Ecoeficiente. Revista Especialize
On-line IPOG. Goiânia. 5ª Edição nº 005 Vol.01/2013. Julho/2013. ISSN 21795568.
FEMIA, N.; PETRONE, G.; SPAGNUOLO, G.; VITELLI, M. Optimization of
Perturb and Observe Maximum Power Point Tracking Method. IEEE
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HS
DISSIPADORES.
Catálogo HS Dissipadores.
Disponível
em:<http://www.hsdissipadores.com.br/catalogo.pdf> Acesso em: 25 jul.
2015.
JUNIOR, A. G. T.; KOPTE, G. A.; FEITOSA M. A. F. Aplicação de sistemas
fuzzy na redução do consumo de energia da iluminação pública com
lâmpadas vapor de sódio. Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática,
CBA 2012.
LEDS MAGAZINE. Nick Holonyak honored for inventing the LED.
Disponível em:<http://www.ledsmagazine.com/articles/2008/02/nick-holonyakhonored-for-inventing-the-led.html>. Acesso em: 30 abr. 2015.
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pública: Estudo as perspectivas de aplicação na cidade de são paulo.
Universidade Federal do ABC. Santo André - SP, 2012.
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<http://www.odmbrasil.gov.br/>. Acessado em: 29/03/2015
Disponível
em:
68
OSLON. LCW CRDP.PC datasheet. Disponível em:< http://www.osramos.com/Graphics/XPic1/00100983_0.pdf/LCW%20CRDP.PC.pdf> Acesso em:
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PROCEL RELUZ. Eletrobrás. Iluminação Publica no Brasil. Disponível em:
<http://www.eletrobras.com/elb/main.asp?TeamID={EB94AEA0-B206- 43DE8FBE-6D70F3C44E57}>.Acesso em: 24 abr. 2015.
REISI, A. R.; MORADI, M. H.; JAMASB, S. Classification and comparison of
maximum power point tracking techniques for photovoltaic system: A
review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 19 (2013) p.433–p.443.
SCHINDALL, J. The charge of the Ultra-Capacitors. Disponível em:<
http://spectrum.ieee.org/transportation/advanced-cars/the-charge-of-the-ultracapacitors>. Acesso: 30 abr. 2007.
SCOPACASA, V. A. Introdução à Tecnologia de LED. Disponível em:<
http://www.lumearquitetura.com.br/pdf/LA_Pro1/02%20%20pro_leds_Vis%C3%
A3o_Geral.pdf>. Acesso em: 30 abr. 2015.
TEXAS INSTRUMENTS. Test report of MPPT & LED driver PMP7647. Texas,
USA, December 12th, 2013. Rev.C..
69
ANEXO 1 – DATASHEET LED
70
71
72
73
74
ANEXO 2 - DESIGN DE REFERÊNCIA DA TEXAS INSTRUMENTS “PMP7647 BOARD”
75
ANEXO 3 – DRIVER LM2510
76
77
78
79
ANEXO 4 – DRIVER LM2523
80
81
APÊNDICE 1 – CIRCUITO PROPOSTO
82
APÊNDICE 2 – LISTA DE MATERIAIS
Reference
Value
Description
Size
Fornecedor
D1
MBRD1040CT
10A 40V SURFACE MOUNT DUAL SCHOTTKY BARRIER RECTIFIER
DPAK
Brenno
C33
24pF
12pF//12pF
0603
Brenno
L2
47uH/10A
1468422C (modificado)
24.4 x 18.5mm
Brenno
U1
LM25101CMAX
1A 80V Half-Bridge Gate Driver
SO8 power pad
Texas Instruments
Bead, Ferrite, 500mA, 600ohms
0805
Brenno
B2, B3
J1, J2, J3
Borne 2 pinos
Borne KRE, 2-pin, 15-A, 5.1mm
0.40 x 0.35 inch
Dualcom
C1, C2
1000uF
Capacitor, Aluminium Electrolytic, Low ESR, 25V
11 x 20mm PTH
Dualcom
C7
220uF
Capacitor, Aluminium Electrolytic, Low ESR, 35V
8.5 x 10mm PTH
Dualcom
C6, C8
440uF
Capacitor, Aluminium Electrolytic, Low ESR, 35V (220//220)
8.5 x 10mm PTH
Dualcom
C10, C14, C16, C17,
C21, C22, C23, C24,
C25, C34
1uF
Capacitor, Ceramic, 25V, X7R, 10%
0805
Farnell
C12
560pF
Capacitor, Ceramic, 50V, NPO, 1%
0603
Farnell
C15
200pF
Capacitor, Ceramic, 50V, NPO, 1% (100p//100p)
0603
Farnell
C11, C26, C27, C29,
C30, C32,C19.1
0.1uF
Capacitor, Ceramic, 50V, X7R, 10%
0805
Brenno
C9, C18, C28
1nF
Capacitor, Ceramic, 50V, X7R, 10%
0805
Dualcom
D2, D3, D4
SK34
Diode, Schottky, 3A, 40V
DO214AB
Brenno
F3
Fusível 1.5A
Fusível Resetável
1812
Brenno
F2
Fusível 10A
Fusível SMD 10A
6.1x2.69mm
F1
Fusível 7A
Fusível SMD 7A
6.1x2.69mm
U6
LM2623
General Purpose, Gated Oscillator Based, DC/DC Boost Converter
VSSOP-8 (DGK)
Brenno
J4, J6, J7, J8
Barra 3 pinos
Header, Male 3-pin, 100mil spacing, (36-pin strip)
0.100 inch x 3
Brenno
J5
Barra 4 pinos
Header, Male 4-pin, 100mil spacing, (36-pin strip)
0.100 inch x 4
Brenno
U5
INA199A2DCK
IC, Current shunt monitor, Bi-Directional Zerø-Drift Series
SC-70-6
Texas Instruments
U4
TLV70433DBVR
IC, 24-V Input, 150 mA, Utralow IQ LDO Regulator
SOT23-5
Texas Instruments
U2
UCC27517DBV
IC, 4A Single Channel High-Speed Low-Side Gate Drivers
SOT23-5
Texas Instruments
Valor unitário
R$
1,95
R$
0,10
R$
15,81
R$
8,51
R$
0,04
R$
1,44
R$
0,58
R$
0,24
R$
0,24
Subtotal
R$
1,95
R$
0,20
R$
15,81
R$
8,51
R$
0,08
R$
4,32
R$
1,16
R$
0,24
R$
0,96
R$
0,04
R$
0,40
R$
0,44
R$
0,18
R$
0,04
R$
0,03
R$
0,41
R$
0,70
R$
0,70
R$
0,70
R$
3,02
R$
0,15
R$
0,20
R$
9,78
R$
3,02
R$
5,18
R$
0,44
R$
0,36
R$
0,24
R$
0,09
R$
0,82
R$
0,70
R$
0,70
R$
0,70
R$
3,02
R$
0,60
R$
0,40
R$
9,78
R$
3,02
R$
5,18
83
U3
MSP430F5132IDAR
IC, Mixed Signal Microcontroller
TSSOP-38
Kit montagem painel solar policristalino 12W/18V
LED 1W/3W
Texas Instruments
Aliexpress
LED OSLON LCW CRDP.PC-LQLS-5F8F-1 BRANCO FRIO 5700K SMD
3030
Dualcom
Lente KB-H20-60P-OSN
D21.5 H11.5mm
Dualcom
Módulo sensor movimento IR
ML
Q2, Q3
CSD17555Q5A
MOSFET, N-Chan, 30V
SON-5x6
Texas Instruments
Q5
CSD18531Q5A
MOSFET, N-Chan, 60V
SON-5x6
Texas Instruments
B1
0
Resistor 0R
0805
Dualcom
R2
0.75
Resistor, 0.68 Ohm, 2W, 1% (1R5//1R5)
2512
Dualcom
R1
0R020
Resistor, 20 milliOhm, 3W, 1%
2512
Brenno
R3
4.7
Resistor, 4.7Ohm, 1W, 5%
2512
Dualcom
R25
100K
Resistor, Chip, 1/10W, 1%
0805
Brenno
R27
150K
Resistor, Chip, 1/10W, 1%
0805
Dualcom
R11, R13, R16
7.5
Resistor, Chip, 1/10W, 5% (15R//15R)
0805
Dualcom
R31, R33
10K
Resistor, Chip, 1/16W, 1%
0805
Brenno
R42, R43
1K
Resistor, Chip, 1/16W, 1%
0805
Brenno
R23, R24
10
Resistor, Chip, 1/16W, 1%
0805
Dualcom
R22
1.8K
Resistor, Chip, 1/16W, 1%
0805
Dualcom
R29
15K
Resistor, Chip, 1/16W, 1%
0805
Dualcom
R32
15K
Resistor, Chip, 1/16W, 1%
0805
Dualcom
R35
2.2K
Resistor, Chip, 1/16W, 1%
0805
Dualcom
R12, R14, R17
33K
Resistor, Chip, 1/16W, 1%
0805
Dualcom
R30
4.7K
Resistor, Chip, 1/16W, 1%
0805
Dualcom
R34
5.6K
Resistor, Chip, 1/16W, 1%
0805
Dualcom
R26, R28, R36, R37,
R38
2M
Resistor, Chip, 1/16W, 1% (1M+1M)
0805
Dualcom
R21
56R
Resistor, Chip, 1/4 watt, ± 5%
0805
Dualcom
D7, D8, D9
LL4148
Small Signal Fast Switching Diodes
MLL41
Brenno
R$
19,01
R$
67,41
R$
19,01
R$
67,41
R$
5,60
R$
33,60
R$
1,20
R$
12,86
R$
3,50
R$
4,83
R$
0,04
R$
0,16
R$
0,20
R$
0,16
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,10
R$
7,20
R$
38,57
R$
10,50
R$
9,66
R$
0,04
R$
0,32
R$
0,20
R$
0,16
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,24
R$
0,12
R$
0,08
R$
0,08
R$
0,08
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,16
R$
0,16
R$
0,04
R$
0,40
R$
0,08
R$
0,30
84
D5, D6
LED SMD 0805
0805
Taxa de envio - Texas Instruments
Q11
Brenno
Texas Instruments
KST3906
Trans, PNP, 40-V, 200-mA, 225-mW
SOT23
Dualcom
3000F/2.7V
Ultracapacitor 3000F/2.7V
L3
6uH/3A
UP2UC-4R7-R (modificado)
L1
6.8uH/4.4A
UP2UC-6R8-R 4.4A
R44
100K
0805
Brenno
C19, C35
100uF/16V tant
Size D
Brenno
C31
10-12pF
0603
Brenno
R45
22K
0805
Dualcom
R46
330K
0805
Brenno
R47
47K
0805
Brenno
Dualcom
9.5 x 12.7 x
5.21mm
9.5 x 12.7 x
5.21mm
Brenno
Brenno
R$
0,10
R$
24,85
R$
0,31
R$
412,00
R$
4,02
R$
4,02
R$
0,04
R$
0,90
R$
0,10
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
TOTAL
R$
0,20
R$
24,85
R$
0,31
R$
2.472,00
R$
4,02
R$
4,02
R$
0,04
R$
1,80
R$
0,10
R$
0,04
R$
0,04
R$
0,04
R$
2.755,75
85
APÊNDICE 3 – CALCULOS DOS GANHOS DA NOVA CONTROLADORA
Cálculos dos ganhos da nova controladora
Dados do ADC
Resolução ADC
10 bits
Valor máx ADC
1024 Níveis
Referência do ADC
2,5 V
Medição de Vpainel (P+)
P+(máx)
12 V
Vbe transistor Q11
0,60 V
R33+R34
15600 Ohms
R35
3900 Ohms
Medição Icarga Banco (B_S & B_I)
Imáx
2 A
Shunt R1
0,0125 Ohms
Vshunt (B_S)
0,025 V
Ganho do AOP
100 V/V
Vadc
Valor no ADC
% da escala
Vadc (B_I)
Valor no ADC
% da escala
2,280 V
933 Níveis
91 %
Medição de V LEDs (L+)
L+(máx)
18,00
R27
150000
R30
10000
Vadc
1,125
Valor no ADC
460
% da escala
45
V
Ohms
Ohms
V
Níveis
%
2,500 V
1023 Níveis
100 %
Medição I LEDs (L_S)
Inom
0,530 A
Shunt R2
0,750 Ohms
Vshunt (L_S)
0,398 V
Pot shunt
0,211 W
Vadc
0,398 V
Valor no ADC
163 Níveis
% da escala
16 %
Medição de Vbanco (B+)
B+(máx)
0,8 V
R25
100000 Ohms
R29
33000 Ohms
Vadc
0,198 V
Valor no
ADC
81 Níveis
% da escala
8 %
86
APÊNDICE 4 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO
Para a realização do Protótipo, foram dimensionadas a partir da carga até a sua fonte de
energia. Antes de tudo, foi adquirido os componentes e acessórios para a realização física do
Projeto. A lista de componentes pode ser visualizada no APÊNDICE 2, na referência é possível
verificar o custo e a quantidade de cada componente e acessório adquirido.
A primeira ação para a efetivação do projeto foi a realização da soldagem dos LEDs nas
placas de MCPCB em alumínio e a colagem das Lentes nas placas junto aos LEDs. Após o todos
os LEDs serem soldados na placa MCPCB, os mesmos foram colados no dissipador HS2816
usando uma pasta térmica apropriada Figura 28.
FIGURA 27: LEDS E ACESSÓRIOS
FONTE: AUTOR(2015)
FIGURA 28: LED MONTADO
FONTE: AUTOR(2015)
Após realizar todas as montagens dos LEDs, foi dimensionada através do projeto CAD a
placa de alumínio onde foi alocado cada conjunto. Como cada lente possui 60°, eles foram
dispostos de forma circular para que seja iluminada toda a circunferência de onde a luminária for
instalada.
87
O arquivo em CAD (Figura 29) foi enviado a um centro de usinagem. Depois de finalizado,
todos os conjuntos compostos de LED e dissipador, foram fixados na placa em alumínio. Além
disso, os LED foram ligados em série como foi dimensionado anteriormente (Figura 30).
FIGURA 29: PLACA BASE EM ALUMINIO
FONTE: AUTOR(2015)
FIGURA 30: PLACA BASE EM ALUMINIO MONTADA
FONTE: AUTOR(2015)
Antes de ligar os Ultracapacitores para ser gerada uma Capacitância Equivalente proposta,
foi de suma importância montar a placa responsável pelo equilíbrio de cargas do banco. Após
realizar o roteamento do esquemático, foi solicitada a produção da placa PCI em uma empresa
especializada (Figura 31).
88
FIGURA 31: PCI EQUILIBRIO ULTRACAPACITOR
FONTE: AUTOR(2015)
Como dito anteriormente, o banco de Ultracapacitores foi formado em 3 módulos de 2
capacitores em paralelo, e esses módulos foram ligados em série. Para ligar os ultracapacitores
em paralelo foi projetado barras de conexão em alumínios (Figura 32). As barras foram efetuadas
em uma indústria de usinagem (Figura 33).
FIGURA 32: BARRA DE CONEXÃO DOS ULTRACACITORES
FONTE: AUTOR(2015)
FIGURA 33: BARRA DE CONEXÃO DOS ULTRACACITORES
FONTE: AUTOR(2015)
89
Com as barras de conexão em mãos os ultracapacitores foram ligados de modo a se obter
a capacitância equivalente que foi proposta anteriormente. As barras foram dispostas nos
capacitores para que ficassem em paralelo e vários fios fizeram a interconexão dos módulos em
série. Em cada célula paralelo foi ligado nas entradas J1, J2 e J3 do circuito que equilibra carga
(Figura 34).
FIGURA 34: ULTRACACITORES LIGADOS
FONTE: AUTOR(2015)
A motagem do Módulo Solar exigiu cuidado e atenção em sua concepção. As células são
extremamente frágeis e susceptíveis a qualquer dano. Um vidro de 38x38cm foi cortado para que
proteger as células. Tendo as chapas de vidro em mãos, foi realizada a colagem dos paineis
através de silicone. Cada célula foi ligada para se obter 2 conjuntos de 18 células em série. Além
disso, um pequeno circuito compostos por 4 diodos foi usado para proteger contra tensão e
corrente reversa. Após a montagem o Módulo foi selado através de perfis U em alumínio através
de silicone. O resultado final pode ser visualizado na figura 35.
90
FIGURA 35: CONJUNTO DE CÉLULAS SOLARES
FONTE: AUTOR(2015)
Após terminar o esquemático do circuito (APÊNDICE 1) da placa controladora, o layout da
placa foi finalizado (FIGURA 36). Uma das características do projeto é a utilização de tecnologia
de montagem supercial conhecida como SMD, o que permitiu que o tamanho em área de placa
fosse reduzido.
Além de possuir 2 layers, a placa também possuia furos metalizados. Consequentemente,
foi direcionado a ser realizada em um ambiente industrial profissional, pois a tecnologia de
metalização ainda não tinha sido desenvolvido pelo outro fornecedor de placas de circuitos
impressos citado anteriormente. O resultado da placa confeccionada pode ser visualizado na
figura 37.
FIGURA 36: LAYOUT DA PLACA CONTROLADORA
FONTE: AUTOR(2015)
91
FIGURA 37: PLACA CONTROLADORA FINALIZADA
FONTE: AUTOR(2015)
Com todos os Módulos finalizados a montagem do protótipo foi finalizado. Os módulos
foram ligados conforme o APÊNDICE 1. Segundo a Figura 38 é possível verificar que os
ultracapacitores foram fixados em uma base de acrílico através de abraçadeiras, a placa em
alumínio constituidos pelos LEDs fixados através de parafusos e a placa PCI também foi fixada
com abraçadeiras. Apenas o Módulo ficou fora da base em acrílico. Lembrando que todas as
soldas utilizadas no protótipo eram LeadFree.
FIGURA 38: CONJUNTO MONTANDO EM BASE DE ACRÍLICO.
FONTE: AUTOR(2015)
92
APÊNDICE 5 – FIRMWARE
/* PMP7647 based hardware
*MSP430F5132 - 1.3A MPPT CHARGER AND LED DRIVER(6LEDs, 530mA)*/
//Header Files//
#include <msp430.h>
#include "msp430f5132.h"
//Definitions//
#define CALTDH0CTL1_200
*((unsigned int *)0x1A34)
#define TURN_OFF_BUCK_STAGE
TD0CCTL1 = TD0CCTL2 = OUTMOD_0;
#define TURN_ON_BUCK_STAGE
{TD0CCTL1 = OUTMOD_6; TD0CCTL2 = OUTMOD_2;}
#define TURN_ON_BOOST_STAGE TD1CCTL1 = OUTMOD_6;
#define TURN_OFF_BOOST_STAGE TD1CCTL1 = OUTMOD_0;
#define TURN_OFF_TIMER_A
#define TURN_ON_TIMER_A
#define LED_1
#define LED_2
#define SENSOR
BIT5
BIT4
BIT6
TA0CTL &= ~MC_1;
{TA0CTL |= MC_1; ms = sec = min = 0;}
//STATUS LED 1
//STATUS LED 2
//IR SENSOR
//Index of respective elements in adc output array
#define P_V
#define B_V
#define B_I
#define L_V
#define L_I
4
3
2
1
0
#define REF_AVG_LOAD_COUNTER
#define REF_AVG_MPPT_COUNTER
#define REF_AVG_STANDBY_COUNTER
#define MPPT_LOOP_EXIT_LIMIT
2
2
20 // 5 seconds in standby mode
200
// 1 second
#define MINUTES
1
// MINUTES to dimm
#define CC_LIMIT
511 // Charge current limit = 1A
#define CC_TO_CV_LIMIT
807
// Upper bank voltage 7.95V
#define FLOAT_VOLTAGE
804 // Float bank voltage 7.92V
#define BANK_LV
305 // Bank low voltage = 3V
#define BANK_ULV
102 // Bank ultra low voltage = 1V
#define LOAD_VOLTAGE_LIMIT
767 // Max boost load voltage = 30V
#define SUFFICIENT_PANEL_VOLTAGE
#define PANEL_UPPER_LIMIT
278
#define REF_LOAD_CURRENT_FULL_BRIGHTNESS
#define REF_LOAD_CURRENT_HALF_BRIGHTNESS
#define REF_LOAD_CURRENT_LOW_BRIGHTNESS
165
// 4.0V; To turn off the load; charge battery
933
// 12.0V to turn off the buck; protection purpose
// 530mA (calculated value = 163)
85 // 265mA
33 // 100mA
#define DEADTIME
12
//Deadtime
#define DUTY_BUCK_LOWER_THRESHOLD
DEADTIME //MIN D%
unsigned int DUTY_BUCK_UPPER_THRESHOLD = 1000-DEADTIME; //MAX D%
#define OC_TRIGGERED_COUNTER_THRESHOLD 1000 // 5 seconds delay, 5.2ms per average
#define OV_TRIGGERED_COUNTER_THRESHOLD 1000 // 5 seconds delay, 5.2ms per average
#define MPPT_STATE
0
#define STAND_BY_STATE
1
#define LOAD_MANAGEMENT_STATE
2
#define START_MPPT_STATE
3
#define START_STANDBY_STATE
4
#define START_LOAD_MANAGEMENT_STATE
5
93
//Variable declaration//
unsigned int
ADC_Readings [5],
System_reset_Mode_ON, Load_Monitor_Mode_ON,
// Flags for comparator ISR
OC_Triggered = 0, OC_Triggered_Counter = 0,
// Flags for over load current protection
OV_Triggered = 0, OV_Triggered_Counter = 0,
// Flags for over load voltage protection
Load_On = 0,
Charge_On = 0,
CV_Mode = 0,
cc_to_cv = 0,
Wait_State = 0,
Wait_Counter = 0,
Battery_Low_Current_Counter = 0,
Dimm_on = 0;
int
MPPT_Direction = 1,
LPM3_On = 0;
//Counters to count for 5hours (Programmable for any time), TIMER A
unsigned long
Panel_Voltage,
Prev_Panel_Voltage,
Battery_Voltage,
Load_Voltage,
Battery_Charging_Current = 0,
Load_Current,
Prev_Battery_Charging_Current = 0,
Prev_Load_Voltage,
Duty_Buck = DEADTIME,
// MIN% duty cycle (because deadtime)
Ref_Load_Current = 0,
// to be initialised according to the output current
Panel_Voltage_Buffer = 0,
Battery_Voltage_Buffer = 0,
Load_Voltage_Buffer = 0,
Battery_Charging_Current_Buffer = 0,
Load_Current_Buffer = 0,
Duty_Boost = 0,
// 0% duty cycle
MPPT_Loop = 1,
MPP_Loop_Exit_Counter = 0,
CC_Loop_Exit_Counter = 0;
//Average counter and reference counter
unsigned int
Avg_MPPT_Counter = 0,
Avg_LOAD_Counter = 0;
int Present_State;
int ms=0, sec=0, min=0;
//Functions
void init_IO (void);
void Init_Clocks (void);
void SetVcoreUp (unsigned int level);
void init_WDT (void);
void init_ADC (void);
void MPPT (void);
void init_TimerD_BUCK (void);
void init_TimerD_BOOST (void);
void init_TimerA (void);
void Load_Management (void);
void PI_Control (void);
void init_Comparator_LoadMonitor (void);
void init_Comparator_System_Reset (void);
void Battery_Charge_Profiling(void);
void init_WDTLowpowermode3 (void);
void Average_LOAD_ADC_Values(void);
void Average_MPPT_ADC_Values(void);
94
void Average_STANDBY_ADC_Values();
void main (void)
{
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;
__delay_cycles(100000);
// Delay to initialize
// Initialize system
init_IO();
PJOUT |= LED_1 + LED_2;
// Show init start
Init_Clocks();
// Initialize clocks for CPU=25MHz
__bis_SR_register(GIE);
init_ADC();
init_TimerD_BUCK();
init_TimerD_BOOST();
init_TimerA();
TURN_OFF_BUCK_STAGE;
TURN_OFF_BOOST_STAGE;
init_WDT(); // set the ADC sampling interval to 3.2ms
__delay_cycles(100000);
Present_State = START_MPPT_STATE;
PJOUT &= ~(LED_1 + LED_2); // Show init end
// Stop WDT
// Enable Interrupts
// Main loop
while(1)
{
switch(Present_State)
{
case MPPT_STATE :
{
if(Avg_MPPT_Counter >= REF_AVG_MPPT_COUNTER)
{
Average_MPPT_ADC_Values();
if((Panel_Voltage < PANEL_UPPER_LIMIT)&&(!Wait_State)&&(Battery_Voltage < Panel_Voltage))
{
TURN_ON_BUCK_STAGE;
if(MPPT_Loop == 1) MPPT();
else Battery_Charge_Profiling();
// update timers
TD0CCTL0 &= ~TDIFG;
// wait till the timer completes its current cycle
while(!(TD0CCTL0 & TDIFG));
TD0CCR1 = 1000-Duty_Buck;
TD0CCR2 = 1000-Duty_Buck-DEADTIME;
if(Panel_Voltage > PANEL_UPPER_LIMIT)
Present_State = START_STANDBY_STATE;
}//end if
if (((Battery_Charging_Current < 10)&&(!Wait_State))||(Panel_Voltage > PANEL_UPPER_LIMIT))
{
Battery_Low_Current_Counter++;
if((Battery_Low_Current_Counter > 10)||(Panel_Voltage > PANEL_UPPER_LIMIT))
{
TURN_OFF_BUCK_STAGE;
Duty_Buck = 500; // 50%
Wait_State = 1;
Wait_Counter = 0;
if(Panel_Voltage < SUFFICIENT_PANEL_VOLTAGE)
Present_State = START_STANDBY_STATE;
}
}
}
else if((Battery_Charging_Current > 9))
// reset counter once the battery current comes up
Battery_Low_Current_Counter = 0;
/* This block generates approximately 5 seconds delay whenever battery current goes below a threshold value or panel voltage goes
above upper limit panel is switched off and restarted after 5 seconds*/
if(Wait_State == 1)
95
{
Wait_Counter++;
if(Wait_Counter > 100)
{
Wait_State = 0;
Wait_Counter = 0;
Battery_Low_Current_Counter = 0;
}
}
}// end of MPPT_STATE block
break;
case STAND_BY_STATE :
{
if(Avg_MPPT_Counter >= REF_AVG_STANDBY_COUNTER)
{
Average_STANDBY_ADC_Values();
if(Panel_Voltage > PANEL_UPPER_LIMIT)
{
//Present_State = START_MPPT_STATE;
//system reset
PMMCTL0 |=PMMSWBOR;
// Brown out reset by software
}
else if(Panel_Voltage < SUFFICIENT_PANEL_VOLTAGE)
{
//enable timer D for boost
TURN_OFF_BUCK_STAGE
TD1CTL0 |= MC_1;
Present_State = START_LOAD_MANAGEMENT_STATE;
Load_On = 0;
}
else
{
Present_State = STAND_BY_STATE;
LPM3_On = 1;
PJOUT |= LED_1; //Debug
__bis_SR_register(LPM3_bits);
}
}
}// end of STAND_BY_STATE block
break;
case START_MPPT_STATE :
{
init_WDT(); // set the ADC sampling interval to 3.2ms
//
Duty_Buck = (Battery_Voltage/(Panel_Voltage*1.25))*1000;
if(Duty_Buck < DUTY_BUCK_LOWER_THRESHOLD)
Duty_Buck = DUTY_BUCK_LOWER_THRESHOLD;
MPPT_Direction = 1;
Present_State = MPPT_STATE;
} // end of START_MPPT_STATE block
break;
case START_STANDBY_STATE :
{
init_WDTLowpowermode3(); // change the ADC sampling interval from 32ms to .25s
//for low standby current
CBCTL1 &= ~CBON; // switch off the comparator to save power
//disable timer D to save power
TD0CTL0 &= ~MC_1;
TD1CTL0 &= ~MC_1;
TURN_OFF_BUCK_STAGE;
TURN_OFF_BOOST_STAGE;
Present_State = STAND_BY_STATE;
}// end of START_STANDBY_STATE block
break;
96
case LOAD_MANAGEMENT_STATE :
{
if(Avg_MPPT_Counter >= REF_AVG_MPPT_COUNTER)
Average_MPPT_ADC_Values();
if(Avg_LOAD_Counter >= REF_AVG_LOAD_COUNTER)
{
Average_LOAD_ADC_Values();
// first check all the exit conditions
if (Panel_Voltage > PANEL_UPPER_LIMIT)
PMMCTL0 |=PMMSWBOR; // Brown out reset by software
else // If panel voltage in range, Charge power bank
{
if(Panel_Voltage > SUFFICIENT_PANEL_VOLTAGE)
{
Present_State = START_STANDBY_STATE;
TURN_OFF_BOOST_STAGE;
TURN_OFF_TIMER_A;
Load_On=0;
}
else //If panel voltage low, Power-on LEDs
{
//
if (P3IN && SENSOR) Dimm_on = 0; //IR sensor active in "H"
if (Dimm_on == 0) Ref_Load_Current = REF_LOAD_CURRENT_FULL_BRIGHTNESS;
else Ref_Load_Current = REF_LOAD_CURRENT_HALF_BRIGHTNESS;
if (Battery_Voltage < BANK_ULV)
{
init_Comparator_System_Reset();
PJOUT |= LED_2; //Debug
__bis_SR_register(LPM4_bits);
}
else if(Battery_Voltage < BANK_LV)
{
Ref_Load_Current = REF_LOAD_CURRENT_LOW_BRIGHTNESS;
TURN_OFF_TIMER_A;
}
if(OC_Triggered) // if over current has triggered wait for approximately 10s and restart boost
{
OC_Triggered_Counter++;
if(OC_Triggered_Counter == OC_TRIGGERED_COUNTER_THRESHOLD)
{
Duty_Boost = 500;
TURN_ON_BOOST_STAGE;
Load_On = 1;
OC_Triggered = 0;
OC_Triggered_Counter = 0;
}
}
}
if(OV_Triggered) // if over voltage has triggered wait for approximately 10s and restart boost
{
OV_Triggered_Counter++;
if(OV_Triggered_Counter == OV_TRIGGERED_COUNTER_THRESHOLD)
{
Duty_Boost = 500;
TURN_ON_BOOST_STAGE;
Load_On = 1;
OV_Triggered = 0;
OV_Triggered_Counter = 0;
}
}
}
if(Load_On)
Load_Management();
}
}// end of LOAD_MANAGEMENT_STATE block
break;
97
case START_LOAD_MANAGEMENT_STATE :
{
if(Battery_Voltage > BANK_LV)
{
init_WDT(); // initialize ADC sampling interval to 32ms
init_Comparator_LoadMonitor();
TURN_ON_TIMER_A;
//
Ref_Load_Current = REF_LOAD_CURRENT_HALF_BRIGHTNESS;
Ref_Load_Current = REF_LOAD_CURRENT_FULL_BRIGHTNESS;
Load_On = 1;
Duty_Boost = 500;
TURN_ON_BOOST_STAGE;
Present_State = LOAD_MANAGEMENT_STATE;
}
}// end of START_LOAD_MANAGEMENT_STATE block
break;
default : break;
}//end of switch block
}//end of main loop
}//end main
void MPPT (void)
{
DUTY_BUCK_UPPER_THRESHOLD = (Battery_Voltage/(Panel_Voltage*1.25))*1000;
if (DUTY_BUCK_UPPER_THRESHOLD < DUTY_BUCK_LOWER_THRESHOLD)
DUTY_BUCK_UPPER_THRESHOLD = DUTY_BUCK_LOWER_THRESHOLD;
if((Battery_Charging_Current*Panel_Voltage) < (Prev_Battery_Charging_Current*Prev_Panel_Voltage))
MPPT_Direction = MPPT_Direction * -1;
if(MPPT_Direction == 1)
{
Duty_Buck ++;
if(Duty_Buck>DUTY_BUCK_UPPER_THRESHOLD)
Duty_Buck=DUTY_BUCK_UPPER_THRESHOLD;
}
else
{
Duty_Buck --;
if(Duty_Buck<DUTY_BUCK_LOWER_THRESHOLD)
Duty_Buck=DUTY_BUCK_LOWER_THRESHOLD;
}
Prev_Battery_Charging_Current = Battery_Charging_Current;
Prev_Panel_Voltage = Panel_Voltage;
if(Battery_Charging_Current >= CC_LIMIT ||(Battery_Voltage >= CC_TO_CV_LIMIT))
{
MPP_Loop_Exit_Counter ++;
if (MPP_Loop_Exit_Counter > MPPT_LOOP_EXIT_LIMIT)
{
MPPT_Loop = 0;
MPP_Loop_Exit_Counter = 0;
CC_Loop_Exit_Counter=0;
if (Battery_Voltage > CC_TO_CV_LIMIT)
CV_Mode = 1;
else
CV_Mode = 0;
}
}
else
MPP_Loop_Exit_Counter = 0;
}
void Battery_Charge_Profiling (void)
{
DUTY_BUCK_UPPER_THRESHOLD = (Battery_Voltage/(Panel_Voltage*1.25))*1000;
if (DUTY_BUCK_UPPER_THRESHOLD < DUTY_BUCK_LOWER_THRESHOLD)
98
DUTY_BUCK_UPPER_THRESHOLD = DUTY_BUCK_LOWER_THRESHOLD;
if ((Battery_Voltage <= CC_TO_CV_LIMIT) && (!CV_Mode) && (Battery_Voltage < Panel_Voltage))
{
if (Battery_Charging_Current < CC_LIMIT)
{
Duty_Buck++;
if (Duty_Buck > DUTY_BUCK_UPPER_THRESHOLD)
{
Duty_Buck = DUTY_BUCK_UPPER_THRESHOLD;
CC_Loop_Exit_Counter ++;
if (CC_Loop_Exit_Counter > MPPT_LOOP_EXIT_LIMIT)
{
MPPT_Loop = 1;
MPP_Loop_Exit_Counter = 0;
CC_Loop_Exit_Counter = 0;
Present_State = START_MPPT_STATE;
}
}
}
else if (Battery_Charging_Current > CC_LIMIT)
{
Duty_Buck--;
if (Duty_Buck < DUTY_BUCK_LOWER_THRESHOLD)
Duty_Buck = DUTY_BUCK_LOWER_THRESHOLD;
CC_Loop_Exit_Counter = 0;
}
}
else
{
CV_Mode = 1;
if (Battery_Voltage < CC_TO_CV_LIMIT)
{
Duty_Buck++;
if (Duty_Buck > DUTY_BUCK_UPPER_THRESHOLD)
Duty_Buck = DUTY_BUCK_UPPER_THRESHOLD;
}
else
{
Duty_Buck--;
if (Duty_Buck < DUTY_BUCK_LOWER_THRESHOLD)
Duty_Buck = DUTY_BUCK_LOWER_THRESHOLD;
}
if (Battery_Voltage < FLOAT_VOLTAGE)
{
CC_Loop_Exit_Counter ++;
if (CC_Loop_Exit_Counter > MPPT_LOOP_EXIT_LIMIT)
{
MPPT_Loop = 1;
MPP_Loop_Exit_Counter = 0;
CC_Loop_Exit_Counter = 0;
Present_State = START_MPPT_STATE;
}
}
}
}
void Load_Management (void)
{
if (Load_Current > (Ref_Load_Current + 1))
{
Duty_Boost --;
if (Duty_Boost < 3) Duty_Boost = 3;
}
if (Load_Current < (Ref_Load_Current - 1))
{
Duty_Boost ++;
if (Duty_Boost > 970) Duty_Boost = 970; // DCmax = 97%
99
}
TD1CCTL0 &= ~CCIFG;
while(!(TD1CCTL0 & CCIFG));
TD1CCR1 = 1000-Duty_Boost;
// WAIT TILL THE TIMER COMPLETES ITS CURRENT CYCLE
}
void Average_MPPT_ADC_Values()
{
Avg_MPPT_Counter = 0;
Panel_Voltage = Panel_Voltage_Buffer/REF_AVG_MPPT_COUNTER;
if (Panel_Voltage == 0) Panel_Voltage = 1;
Battery_Voltage = Battery_Voltage_Buffer/REF_AVG_MPPT_COUNTER;
Load_Voltage = Load_Voltage_Buffer/REF_AVG_MPPT_COUNTER;
Battery_Charging_Current = Battery_Charging_Current_Buffer/REF_AVG_MPPT_COUNTER;
Load_Voltage_Buffer = 0;
Panel_Voltage_Buffer = 0;
Battery_Voltage_Buffer = 0;
Battery_Charging_Current_Buffer = 0;
}
void Average_STANDBY_ADC_Values()
{
Avg_MPPT_Counter = 0;
Panel_Voltage = Panel_Voltage_Buffer/REF_AVG_STANDBY_COUNTER;
if (Panel_Voltage == 0) Panel_Voltage = 1;
Battery_Voltage = Battery_Voltage_Buffer/REF_AVG_STANDBY_COUNTER;
Load_Voltage = Load_Voltage_Buffer/REF_AVG_STANDBY_COUNTER;
Battery_Charging_Current = Battery_Charging_Current_Buffer/REF_AVG_STANDBY_COUNTER;
Load_Voltage_Buffer = 0;
Panel_Voltage_Buffer = 0;
Battery_Voltage_Buffer = 0;
Battery_Charging_Current_Buffer = 0;
}
void Average_LOAD_ADC_Values()
{
Avg_LOAD_Counter = 0;
Load_Current = Load_Current_Buffer/REF_AVG_LOAD_COUNTER;// Copy ADC Readings for use
Load_Current_Buffer = 0;
}
//WDT to restart ADC
void init_WDT (void)
{
WDTCTL = WDT_MDLY_32;
SFRIE1 |= WDTIE;
}
void init_WDTLowpowermode3 (void)
{
WDTCTL = WDT_ADLY_250;
SFRIE1 |= WDTIE;
}
// WDT 32ms from 1MHz, SMCLK, interval timer
// Enable WDT interrupt
// WDT 250ms, ACLK, interval timer
// Enable WDT interrupt
// Watchdog Timer interrupt service routine
#pragma vector=WDT_VECTOR
__interrupt void WDT_ISR(void)
{
__data16_write_addr((unsigned short) &DMA0DA,(unsigned long) &ADC_Readings[0]);
ADC10CTL0 |= ADC10ENC + ADC10SC+ ADC10ON;
// Sampling and conversion start
}
void init_TimerD_BUCK (void) // ok
{
// Configure TD0.x GPIO pins
100
P1SEL |= BIT6 + BIT7;
P1DIR |= BIT6 + BIT7;
P2SEL |= BIT0;
P2DIR |= BIT0;
// P1.6,7 option select
// P1.6,7 output
// P2.0,2 options select
// P2.0,2 output
TD0HCTL1 = CALTDH0CTL1_200 ;
// Read the 200Mhz TimerD TLV Data
TD0CTL1 |= TDCLKM_1;
TD0HCTL0 = TDHEN + TDHM_0;
// CALEN=0 => free running mode; High-resolution clock 8x
Timer_D clock; High-resolution mode enable
// TDHM_0 => clk = 200 * 1 = 200 Mhz, TDHM_1 => clk = 200 * 2 = 400 Mhz
// Configure the CCRx blocks
TD0CCTL0 = OUTMOD_4;
TD0CCR0 = 1000;
TD0CCTL1 = OUTMOD_0;
TD0CCR1 = 1000;
TD0CCTL2 = OUTMOD_0;
TD0CCR2 = 1000;
TD0CTL0 |= MC_3 + TDCLR;
// CCR0 toggle
// PWM Period/2
// CCR1 toggle/set (Start off)
// CCR1 PWM duty cycle (Start in 0%)
// CCR2 toggle/reset (Start off)
// CCR2 PWM duty cycle (Start in 0%)
// up-down mode, clear TDR, Start timer
}
void init_TimerD_BOOST (void) //ok
{
// Configure TD1.x GPIO pins
P2SEL |= BIT1;
// P1.6,7 option select
P2DIR |= BIT1;
// P1.6,7 output
P2SEL |= BIT2;
// P2.2 options select
P2DIR |= BIT2;
// P2.2 output
TD1HCTL1 = CALTDH0CTL1_200 ;
// Read the 200Mhz TimerD TLV Data
TD1CTL1 |= TDCLKM_1;
TD1HCTL0 |=TDHEN + TDHM_0;
// TDHM_0 => clk = 200 * 1 = 200 Mhz, TDHM_1 => clk = 200 * 2 = 400 Mhz
// Configure the CCRx blocks
TD1CCTL0 = OUTMOD_4;
TD1CCR0 = 1000;
TD1CCTL1 = OUTMOD_0;
TD1CCR1 = 1000;
TD1CTL0 |= MC_3 + TDCLR;
// CCR0 toggle
// PWM Period/2
// CCR1 toggle/set (Start off)
// CCR1 PWM duty cycle (Start in 0%)
// up-down mode, clear TDR, Start timer
}
void init_TimerA (void)
{
TA0CCR0 = 25000;
TA0CTL |= TASSEL_2 + TAIE;
TA0CCTL0 |= CCIE;
}
// To count 1ms
// CLK source = SMCLK = 25MHz
// Enable interrupts
// Timer0 A0 interrupt service routine; count for any hours, specified in minutes
#pragma vector=TIMER0_A0_VECTOR
__interrupt void TIMER0_A0_ISR(void)
{
ms++;
if(ms == 1000)
{
sec++;
ms = 0;
PJOUT ^= LED_1;
// TOGGLE LED1 using XOR
}
if(sec == 60)
{
min++;
ms = sec = 0;
}
101
if(min == MINUTES)
{
ms = sec = min = 0;
Dimm_on = 1;
}
TA0CCTL0 &= ~CCIFG;
TA0CTL &= ~TAIFG;
}
/*Comparator generates interrupt when +ve terminal is higher than -ve one
* So here ref voltage is given to -ve terminal*/
// Configured to detect over current
// Generates interrupt when load current goes above approximately 730mA
void init_Comparator_LoadMonitor (void)
{
System_reset_Mode_ON = 0;
Load_Monitor_Mode_ON = 1;
// clear all registers
CBCTL0 = CBCTL1 = CBCTL2 = CBCTL3 = CBINT = 0;
CBCTL0 |= CBIPEN + CBIPSEL_4;
// Enable V+, input channel CB4 (L_I)
CBCTL1 |= CBPWRMD_1;
// normal power mode
CBCTL2 |= CBRSEL;
// VREF is applied to -terminal
CBCTL3 |= BIT4;
// Input Buffer Disable @P1.4/CB4
CBCTL2 |= CBRS_2 + CBREFL_3+ CBREF1_6 + CBREF0_6;
// REF2.5V applied to R-ladder (0.547V)
__delay_cycles(7500);
// delay for the reference to settle
CBINT &= ~(CBIFG + CBIIFG);
// Clear any errant interrupts
CBINT |= CBIE;
// Enable CompB Interrupt on rising edge of CBIFG (CBIES=0)
CBCTL1 |= CBON;
// Turn On ComparatorB
}
// Configured to detect oanel sufficient voltage
// Generates interrupt when panel voltage goes above configured voltage
void init_Comparator_System_Reset (void)
{
System_reset_Mode_ON = 1;
Load_Monitor_Mode_ON = 0;
// clear all registers
CBCTL0 = CBCTL1 = CBCTL2 = CBCTL3 = CBINT = 0;
CBCTL0 |= CBIPEN + CBIPSEL_0;
// Enable V+, input channel CB0 (P_V)
CBCTL1 |= CBPWRMD_1;
// normal power mode
CBCTL2 |= CBRSEL;
// VREF is applied to -terminal
CBCTL3 |= BIT0;
// Input Buffer Disable @P1.0/CB4
CBCTL2 |= CBRS_2 + CBREFL_3 + CBREF1_28 + CBREF0_28; // REF2.5V applied to R-ladder (2.266V)
__delay_cycles(7500);
// delay for the reference to settle
CBINT &= ~(CBIFG + CBIIFG);
// Clear any errant interrupts
CBINT |= CBIE;
// Enable CompB Interrupt on rising edge of CBIFG (CBIES=0)
CBCTL1 |= CBON;
// Turn On ComparatorB
}
// Comp_B ISR - FOR SYSTEM RESET AND OVERCURRENT PROTECTION
#pragma vector=COMP_B_VECTOR
__interrupt void Comp_B_ISR (void)
{
if(Load_Monitor_Mode_ON)
{
TURN_OFF_BOOST_STAGE;
Load_On = 0;
CBINT &= ~CBIFG;
// Clear Interrupt flag
OC_Triggered = 1;
OC_Triggered_Counter = 0;
// Take action for over current protection by setting a flag
}
else if(System_reset_Mode_ON)
{
CBINT &= ~CBIFG;
PMMCTL0 |=PMMSWBOR;
// Brown out reset by software
}
}
102
// Clocks And Vcore
void Init_Clocks (void)
{
SetVcoreUp (0x01);
SetVcoreUp (0x02);
SetVcoreUp (0x03);
// Configure DCO = 25Mhz
UCSCTL3 = SELREF_2;
// Set DCO FLL reference = REFO
UCSCTL4 |= SELA_2;
// Set ACLK = REFO
__bis_SR_register(SCG0); // Disable the FLL control loop
UCSCTL0 = 0x0000;
// Set lowest possible DCOx, MODx
UCSCTL1 = DCORSEL_7;
// Select DCO range 50MHz operation
UCSCTL2 = FLLD_1 + 762;
// Set DCO Multiplier for 25MHz
// (N + 1) * FLLRef = Fdco
// (762 + 1) * 32768 = 25MHz
// Set FLL Div = fDCOCLK/2
__bic_SR_register(SCG0); // Enable the FLL control loop
// Worst-case settling time for the DCO when the DCO range bits have been
// changed is n x 32 x 32 x f_MCLK / f_FLL_reference. See UCS chapter in 5xx
// UG for optimization.
// 32 x 32 x 25 MHz / 32,768 Hz ~ 780k MCLK cycles for DCO to settle
__delay_cycles(782000);
// Loop until Xt1 & DCO stabilizes - In this case only DCO has to stabilize
do
{
UCSCTL7 &= ~(XT1LFOFFG + XT1HFOFFG + DCOFFG);
// Clear XT1,DCO fault flags
SFRIFG1 &= ~OFIFG;
// Clear fault flags
}
while (SFRIFG1&OFIFG);
// Test oscillator fault flag
}
void SetVcoreUp (unsigned int level)
{
PMMCTL0_H = PMMPW_H;
// Open PMM registers for write
SVSMHCTL = SVSHE + SVSHRVL0 * level + SVMHE + SVSMHRRL0 * level; // Set SVS/SVM high side new level
SVSMLCTL = SVSLE + SVMLE + SVSMLRRL0 * level;
// Set SVM low side to new level
while ((PMMIFG & SVSMLDLYIFG) == 0);
// Wait till SVM is settled
PMMIFG &= ~(SVMLVLRIFG + SVMLIFG);
// Clear already set flags
PMMCTL0_L = PMMCOREV0 * level;
// Set VCore to new level
if ((PMMIFG & SVMLIFG))
// Wait till new level reached
while ((PMMIFG & SVMLVLRIFG) == 0);
SVSMLCTL = SVSLE + SVSLRVL0 * level + SVMLE + SVSMLRRL0 * level; // Set SVS/SVM low side to new level
PMMCTL0_H = 0x00;
// Lock PMM registers for write access
}
//IO INITIALISATION//
void init_IO (void)
{
// General IO config
P1OUT = 0;
P2OUT = 0;
PJOUT = 0;
P1SEL |= BIT6 + BIT7;
//CONFIGURE TD0.1 , PW_H
P1DIR |= BIT6 + BIT7;
//OUTPUT HIGH SIDE MOSFET
P2SEL |= BIT0 + BIT2;
//CONFIGURE TD0.2 , TD1.1 FOR PW_L , PW_B
P2DIR |= BIT0 + BIT1 + BIT2;
//OUTPUT LOW SIDE MOSFET, BOOST STAGE MOSFET
P3SEL &= ~BIT6;
//P3.6 = IN
P3REN |= BIT6;
//ENABLE P3.6 RESISTOR
P3OUT |= 0;
//P3.6 RESISTOR = PULL-DOWN
PJDIR |= BIT4 + BIT5;
//CONFIGURE STATUS LEDS
// Configure ADC pins
PMAPPWD = 0x02D52;
PMAPCTL = PMAPRECFG;
// Enable Write-access to modify port mapping registers
// Allow reconfiguration during runtime
103
P1MAP0|= PM_ANALOG;
// Modify all PxMAPy registers
P1MAP1|= PM_ANALOG;
// Modify all PxMAPy registers
P1MAP2|= PM_ANALOG;
// Modify all PxMAPy registers
P1MAP3|= PM_ANALOG;
// Modify all PxMAPy registers
P1MAP4|= PM_ANALOG;
// Modify all PxMAPy registers
PMAPPWD = 0;
// Disable Write-Access to modify port mapping registers by writing incorrect key
P1SEL |= BIT0 + BIT1 + BIT2 + BIT3 + BIT4; // setting the port mapping register PxMAPy to PM_ANALOG together with PxSEL.y=1 when
applying analog signals
_BIS_SR(GIE);
// enable global interrupts
}
//ADC INITIALISATION//
void init_ADC (void)
{
ADC10CTL0 = ADC10SHT_2 + ADC10MSC + ADC10ON;
// 8clk cycles, Single trigger, conversion disabled
ADC10CTL1 = ADC10SHP + ADC10CONSEQ_1;
// Sampling timer, Sequence of channels
ADC10CTL2 |= ADC10RES;
// 10-bit conversion results
ADC10MCTL0 = ADC10INCH_4 + ADC10SREF_1;
// A4,A3,A2,A1,A0(EoS), Vref+ = Vref, Vref- = gnd
REFCTL0 |= REFVSEL_2+REFON; // Select internal ref = 2.5V
DMACTL0 = DMA0TSEL_24;
//CONFIGURE DMA + ADC10IFG trigger
__data16_write_addr((unsigned short) &DMA0SA,(unsigned long) &ADC10MEM0);
// Source single address
__data16_write_addr((unsigned short) &DMA0DA,(unsigned long) &ADC_Readings[0]); // Destination array address
DMA0SZ = 0x05;
// 5 WORDS(Conversion Results) transferred
DMA0CTL = DMADT_4 + DMADSTINCR_3 + DMAEN + DMAIE;// Source unchanged, Destination increments, enabled, interrupts enabled
}
#pragma vector=DMA_VECTOR
__interrupt void DMA0_ISR (void)
{
switch(__even_in_range(DMAIV,16))
{
case 0: break;
// No interrupt (No conversion)
case 2:
// Sequence of conversions complete, Interrupt due to channel 0
ADC10CTL0 &= ~ADC10ENC;
// Disabled Conversion
Panel_Voltage_Buffer += ADC_Readings [P_V];
Battery_Voltage_Buffer += ADC_Readings [B_V];
Battery_Charging_Current_Buffer += ADC_Readings [B_I];
Load_Voltage_Buffer
+= ADC_Readings [L_V];
Load_Current_Buffer
+= ADC_Readings [L_I];
Avg_LOAD_Counter++;
Avg_MPPT_Counter++;
if(ADC_Readings [L_V] > LOAD_VOLTAGE_LIMIT) // load voltage > limit => disable load
{
TURN_OFF_BOOST_STAGE;
Load_On = 0;
OV_Triggered = 1;
OV_Triggered_Counter = 0;
// Take action for over current protection by setting a flag
}
// to prevent boosting
if(ADC_Readings [P_V] > PANEL_UPPER_LIMIT)
{
TURN_OFF_BUCK_STAGE;
Duty_Buck = 500;
// SET DC=50%
Wait_State = 1;
Wait_Counter = 0;
}
// reset counter if these are overflowing. This can happen when MCU is in LPM
if(Avg_LOAD_Counter>REF_AVG_LOAD_COUNTER)
104
{
Avg_LOAD_Counter = 0;
Load_Current_Buffer = 0;
}
if((Avg_MPPT_Counter==REF_AVG_STANDBY_COUNTER)&&(LPM3_On==1))
{
LPM3_On = 0;
ADC10CTL0 &= ~ADC10ON;
// turn off ADC core to save power
LPM3_EXIT;
}
break;
// DMA0IFG
case 4: break;
case 6: break;
case 8: break;
case 10: break;
case 12: break;
case 14: break;
case 16: break;
default: break;
}
}
// DMA1IFG
// DMA2IFG
// Reserved
// Reserved
// Reserved
// Reserved
// Reserved