MARCOS AURÉLIO IZUMIDA MARTINS

Transcrição

1 MARCOS AURÉLIO IZUMIDA MARTINS NOVAS ESTRUTURAS DE REATORES ELETRÔNICOS PARA LÂMPADAS FLUORESCENTES USANDO TÉCNICAS DE INTEGRAÇÃO PARA CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA FLORIANÓPOLIS 6

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA NOVAS ESTRUTURAS DE REATORES ELETRÔNICOS PARA LÂMPADAS FLUORESCENTES USANDO TÉCNICAS DE INTEGRAÇÃO PARA A CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA Disseração submeida à Universidade Federal de Sana Caarina como pare dos requisios para a obenção do grau de Mesre em Engenharia Elérica. MARCOS AURÉLIO IZUMIDA MARTINS Florianópolis, Dezembro de 6. i

3 Novas Esruuras de Reaores Elerônicos para Lâmpadas Fluorescenes Usando Técnicas de Inegração para Correção do Faor de Poência Marcos Aurélio Izumida Marins Esa Disseração foi julgada adequada para a obenção do Tíulo de Mesre em Engenharia Elérica, na área de concenração Elerônica de Poência e Acionameno Elérico, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós Graduação em Engenharia Elérica da Universidade Federal de Sana Caarina. Prof. Arnaldo José Perin, Dr. Ing. Orienador ii

4 A Deus, pela saúde, oporunidade e disposição para enfrenar o Mesrado. iii

5 A Erika Shindo, minha esposa, pelo incenivo e paciência, durane odos os momenos. iv

6 A minha família, Claúdia Izumida Marins, Carlos e Rodrigo, Deolinda Izumida Marins, Tony e Carolina pelo incenivo. v

7 Agradecimenos Devo agradecer primeiramene a Deus, pela vida, pela oporunidade que me deu de ingressar e depois reornar a uma faculdade como a UFSC e por er me abençoado com saúde e coragem para enfrenar um programa de pós-graduação, o Mesrado. Ao professor Arnaldo José Perin, pela orienação e pela amizade, muias vezes muio maior que de um amigo, sendo um pai em muios momenos. Ao professor Claudinor Biencour Nascimeno, pela idéia inicial do meu rabalho e pelos conselhos durane odo o rabalho de disseração. A odos os professores do INEP, Ivo Barbi, Ênio Valmor Kassick, Denizar Cruz Marins, Samir, Hari Bruno Mohr e João Carlos dos Sanos Fagundes. A odos os funcionários do INEP, ano o corpo écnico quano adminisraivo, pela disposição e auxílio durane as pares práicas e burocráicas. Aos colegas do Mesrado, Carlos, Hugo, Mário, Marlos, Murilo, Raphael, Romeu e Thiago pelas idéias comparilhadas, dúvidas esclarecidas e amizade conquisada durane ese empo de convívio. Aos colegas do curso de Douorado do INEP, Alceu, André, Cícero, Ricardo, Aniel, Maeus, Jean, Romero e Kleber. A odos os meus familiares que me apoiaram e de uma forma ou oura conribuíram para minha formação. A minha esposa Erika Shindo, por udo vivido aé hoje, carinho, apoio, dedicação e sempre acrediar em mim, por esar sempre à disposição quando precisei e por fazer pare da minha vida. À CAPES, pelo auxílio financeiro. Ao povo brasileiro, que indireamene susena a nossa insiuição e, onde muios pais não êm a oporunidade de ver um filho seu, formado por uma universidade de ano renome e presígio como a nossa UFSC. vi

8 Resumo da Disseração apresenada à UFSC como pare dos requisios necessários para a obenção do grau de Mesre em Engenharia Elérica. NOVAS ESTRUTURAS DE REATORES ELETRÔNICOS PARA LÂMPADAS FLUORESCENTES USANDO TÉCNICAS DE INTEGRAÇÃO PARA CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA Marcos Aurélio Izumida Marins Dezembro / 6 Orienador: Prof. Arnaldo José Perin, Dr. Ing. Co-Orienador: Prof. Claudinor Biencour Nascimeno, Dr. Eng. Área de Concenração: Elerônica de Poência e Acionameno Elérico. Palavras-chave: Reaor elerônico, lâmpadas fluorescenes, alo faor de poência, Chargepump, compaco. Número de páginas:. Ese rabalho apresena novas opologias para reaores elerônicos com alo faor de poência aplicados em lâmpadas fluorescenes, baseadas no conceio Charge pump, onde se desacam algumas caracerísicas ais como: redução dos cusos de produção por possuírem menor quanidade de componenes, baixa disorção harmônica na correne de enrada, menor correne nos inerrupores e baixa ensão sobre o capacior do barrameno CC. Além disso, a principal caracerísica desas novas opologias é a sua simplicidade e a grande possibilidade de compacação. A meodologia de cálculo para a condição de faor de poência uniário e os resulados experimenais dos proóipos uilizando lâmpadas fluorescenes é apresenada nese rabalho, validando a eoria e comprovando a viabilidade écnica das proposas. vii

9 Absrac of Disseraion presened o UFSC as a parial fulfillmen of he requiremens for he degree of Maser in Elecrical Engineering. NEW STRUCTURES OF FLUORESCENT LAMPS ELECTRONIC BALLASTS USING TECHNIQUES OF INTEGRATION FOR POWER FACTOR CORRECTION Marcos Aurélio Izumida Marins December / 6 Advisor: Prof. Arnaldo José Perin, Dr. Ing. Co-Advisor: Prof. Claudinor Biencour Nascimeno, Dr. Eng. Area of Concenraion: Power Elecronics and Elecrical Drives. Keywords: Elecronic ballas, fluorescen lamps, high power facor, Charge-pump, Compac. Number of pages:. This work presens new opologies for elecronic ballas wih high power facor applied o fluorescen lamps, based on he Charge Pump concep, where sand ou some characerisics as: reducion of he producion cos due o smaller coun of pars, low harmonic disorion in he inpu curren, lower curren in he swiches and lower dc bus volage. Besides, he principal characerisic of hese new opologies is is simpliciy and he grea possibiliy o compac. The design mehodology for he condiion of uniy power facor and he experimenal resuls of a prooype feeding fluorescen lamps are presened in his work o verify he heory and proving he echnical viabiliy of he proposed opologies. viii

10 SUMÁRIO Inrodução... Capíulo - Caracerísicas das Lâmpadas Fluorescenes e Reaores Elerônicos Inrodução Caracerísicas das Lâmpadas Fluorescenes Aspecos Consruivos das Lâmpadas Fluorescenes Tipos de Lâmpadas Fluorescenes Caracerisicas da Lâmpada PL-6W Caracerisicas da Lâmpada T8-6W Caracerisicas da Lâmpada T8-3W Caracerisicas dos Reaores Elerônicos Reaores Elerônicos Uilizando o Conceio Charge-pump Diversas Topologias Para Reaores Elerônicos... Capíulo Reaor CIC-CPPFC Para Uma Lâmpada do Tipo PL-6W Inrodução Topologia Proposa Princípio de Funcionameno....4 Eapas de Operação....5 Formas de Onda Análise Maemáica Considerações Condições iniciais Inervalo de a Inervalo de a Cálculo da correne média no induor Meodologia de Projeo Cálculo de C Cálculo de L Cálculo dos Elemenos do Circuio Ressonane Resulados de Simulação Resulados Experimenais Conclusão ix

11 Capíulo 3 - Reaor CIC-CPPFC Para Duas Lâmpadas do Tipo T8-6W Inrodução Topologia Proposa Princípio de Funcionameno Eapas de operação Formas de Onda Análise Maemáica Consideracões Condições iniciais Inervalo de a Inervalo de 4 a Cálculo da correne média no induor Meodologia de Projeo Cálculo de C Cálculo de L Cálculo dos Elemenos do Circuio Ressonane Resulados de Simulação Resulados Experimenais Conclusão Capíulo 4 - Reaor CIC-CPPFC Para Duas Lâmpadas do Tipo T8-3W Inrodução Topologia Proposa Princípio de Funcionameno Eapas de operação Formas de Onda Análise Maemáica Consideracões Condições iniciais Inervalo de a Meodologia de Projeo Cálculo de C P e C P Cálculo de L in e L in Cálculo dos Elemenos do Circuio Ressonane... 9 x

12 4.7 Resulados de Simulação Resulados Experimenais Conclusão... 4 Capíulo 5 - Conclusão Geral... 5 Capíulo 6 - Referências Bibliográficas... 7 xi

13 LISTA DE FIGURAS Fig.. Reaor elerônico sem correção do faor de poência.... Fig.. Reaor elerônico com eságios inegrados... Fig..3 Reaor elerônico Volage Source Charge Pump Power Facor Correcion (VS- CPPFC)... Fig..4 Reaor elerônico Curren Source Charge Pump Power Facor Correcion (CS- CPPFC)... 3 Fig..5 Diagrama de blocos do conversor PFC... 4 Fig..6 Formas de onda requeridas do conversor PFC... 4 Fig..7 Reaor elerônico Coninuous Inpu Curren Charge Pump Power Facor Correcion (CIC-CPPFC)... 5 Fig..8 - Topologia apresenada por Moisin [] para Reaor elerônico Coninuous Inpu Curren Charge Pump Power Facor Correcion (CIC-CPPFC) Fig.. Topologia apresenada no rabalho de Moisin Fig.. - Topologia apresenada por Nascimeno em [6] e [7]... 9 Fig..3 - Topologia proposa Fig..4 - ª Eapa de operação.... Fig..5 - ª Eapa de operação.... Fig..6-3ª Eapa de operação.... Fig..7-4ª Eapa de operação Fig..8-5ª Eapa de operação Fig..9-6ª Eapa de operação Fig.. - Formas de onda da opologia proposa Fig.. Circuio ressonane equivalene e ensão aplicada Fig.. Circuio simulado Fig..3 Tensão e correne de enrada... 4 Fig..4 Correne na lâmpada com sua envolória em baixa freqüência... 4 Fig..5 Dealhe da comuação em um dos inerrupores Fig..6 - Circuio do proóipo monado Fig..7 - Tensão e correne de enrada (=4ms; v=v/div; i=ma/div) Fig..8 - Especro harmônico da correne de enrada, conforme IEC Fig..9 - Correne na lâmpada com faor de crisa igual a,595 (=ms; i=ma/div) xii

14 Fig.. - Tensão, correne e poência na lâmpada (=µs/div; v=5v/div; i=5ma/div; p=w/div) Fig.. - Tensão e correne no inerrupor durane a comuação (=4µs/div; v= V/div; i=5ma/div) Fig.. - Tensão de barrameno durane a ignição (=ms/div; v=v/div) Fig..3 - Tensão de barrameno em regime (=ms/div; v=v/div) Fig..4 - Tensão na lâmpada durane o processo de parida (=4ms/div; v=v/div) Fig. 3. Topologia proposa no capíulo anerior para uma lâmpada... 5 Fig. 3. Topologia proposa para duas lâmpadas Fig ª Eapa de operação Fig ª Eapa de operação Fig ª Eapa de operação Fig ª Eapa de operação Fig ª Eapa de operação Fig ª Eapa de operação Fig ª Eapa de operação Fig ª Eapa de operação Fig. 3. Formas de onda do reaor para duas lâmpadas Fig Circuio ressonane equivalene e ensão aplicada Fig. 3.3 Circuio simulado Fig. 3.4 Tensão e correne de enrada Fig. 3.5 Correne na lâmpada com sua envolória em baixa freqüência... 7 Fig. 3.6 Dealhe da comuação em um dos inerrupores Fig. 3.7 Circuio do reaor para duas lâmpadas T8-6W com freqüência fixa... 7 Fig Tensão e correne de enrada (=4ms; v:=v/div; i=ma/div)... 7 Fig Especro harmônico da correne de enrada, conforme IEC Fig Correne na lâmpada com faor de crisa igual a,678 (=4ms; i=ma/div) Fig Tensão, correne e poência na lâmpada (=4μs; v=v/div; i=ma/div; p=w/div) Fig Tensão e correne no inerrupor durane a comuação (=4µs/div; v=v/div; i=5ma/div) Fig Tensão de barrameno na parida (=ms/div; v=v/div) Fig Tensão de barrameno em regime (=ms/div; v=v/div) xiii

15 Fig. 3.5 Tensão nas duas lâmpadas durane o processo de parida (=4ms/div; v=v/div) Fig. 3.6 Tensão e correne nas duas lâmpadas (=µs/div; v=v/div; i=a/div) Fig. 4. Esruura proposa no capíulo Fig. 4. Esruura proposa para duas lâmpadas Fig ª Eapa de operação Fig ª Eapa de operação Fig ª Eapa de operação Fig ª Eapa de operação Fig ª Eapa de operação Fig ª Eapa de operação Fig ª Eapa de operação Fig ª Eapa de operação Fig. 4. Formas de onda da esruura proposa Fig. 4. Circuio ressonane equivalene e ensão aplicada Fig. 4.3 Circuio simulado Fig. 4.4 Tensão e correne de enrada Fig. 4.5 Correne na lâmpada com sua envolória em baixa freqüência Fig. 4.6 Dealhe da comuação em um dos inerrupores Fig Circuio do reaor para duas lâmpadas T8-3W com freqüência fixa Fig Tensão e correne de enrada (=4ms; v=v/div; i=5ma/div) Fig Especro harmônico da correne de enrada, conforme IEC Fig Correne na lâmpada com faor de crisa igual a,68 (=4ms; i=ma/div)... Fig Tensão, correne e poência na lâmpada (=μs; v=v/div; i=5ma/div; p=w/div)... Fig Tensão e correne no inerrupor durane a comuação (=4µs/div; v=v/div; i=5ma/div).... Fig Tensão de barrameno na parida (=ms/div; v=v/div)... Fig Tensão de barrameno em regime (=4ms/div; v=v/div)... Fig Tensão nas duas lâmpadas durane o processo de parida (=ms/div; v=5v/div) Fig Tensão e correne nas duas lâmpadas (=µs/div; v=v/div; i=5ma/div). 3 xiv

16 LISTA DE TABELAS Tabela. - Dados coleados na esfera de inegração xv

17 . Símbolos uilizados no rabalho SIMBOLOGIA Símbolo Significado Unidade C f, f C e C f Capaciâncias dos filros de enrada F C e C Capaciâncias Charge pump F C P e C P Capaciâncias Charge pump F C r, C r e C r Capaciâncias de parida da lâmpada F C d, C d e C Capaciâncias dos circuios ressonanes do eságio d inversor F C in Capaciância Charge pump F C Capaciância do barrameno CC F B D, D, D 3 e CP () D 4 Diodos reificadores - D y Diodo Charge pump - f Frequência de ressonância enre L or r e permanene f op C d em regime Freqüência de ressonância durane o processo de parida ω Freqüência angular de ressonância durane o processo de op rad/s parida f Frequência de comuação do reaor Hz s ω Freqüência angular da fone de alimenação de enrada do reaor f Frequência da fone de alimenação de enrada do reaor Hz I L med Correne média da induância Boos A () i Correne insanânea da fone de alimenação de enrada g A do reaor i Correne insanânea nas lâmpadas A Lamp () I PLamp Correne de pico na lâmpada A I Lamp Correne de pico paramerizada na lâmpada A i e () vcp vcp () i Correnes insanâneas nas capaciâncias Charge pump A CP e () Tensões insanâneas nas capaciâncias Charge pump Hz Hz rad/s V xvi

18 i () e () Cf i Correnes insanâneas nas capaciâncias de enrada A Cf v () e () Cf Lin () v Tensões insanâneas nas capaciâncias de enrada V Cf i e () vlin vlin L () i Correnes dos induores Boos de enrada A Lin e () () Tensões nos induores Boos de enrada i Correne do induor boos A K Pare da correne do induor boos A K Pare da correne média do induor boos A Pare da correne média do induor boos acoplado magneicamene A L Induância do filro de enrada H K f L r, r L in, in L e L r Induâncias dos circuios ressonanes H L e L in Induâncias Boos de enrada H () pin Poência insanânea fornecida pela fone de alimenação de enrada Poência média fornecida pela fone de alimenação de P in enrada durane um período de comuação do inversor P Poência de operação de cada lâmpada W V Tensão do filro de saída V Cr () v Tensão no capacior de parida V V Cr Tensão de pico no capacior de parida V X L Impedância do induor de saída Ω V W W X Cr, Cr X Cr X e Impedâncias dos capaciores de parida Ω X Cd e Cd X Lin e Lin X Cf e Cf X Impedâncias dos capaciores ressonanes Ω X Impedâncias dos induores de enrada Ω X Impedâncias dos capaciores de enrada Ω C eq Capaciância equivalene do circuio ressonane F R Resisência equivalene da lâmpada Ω xvii

19 D T e T D Diodos inrínsicos dos inerrupores - T s Período de comuação do inversor s g Insane de empo s () v Tensão da fone de alimenação de enrada do reaor V ix vx () () () Forma de onda da correne necessária para manuenção da correne conínua na enrada Forma de onda da ensão necessária para manuenção da correne conínua na enrada vg Módulo da ensão da fone de alimenação de enrada do reaor V B Tensão do barrameno CC (ensão do capacior C B ) V P Tensão de pico da fone de alimenação de enrada V v (), v () ms vms ms () e Tensão de saída do circuio inversor Z Impedância equivalene enre C in e L in φ Deslocameno angular e a ensão e a correne da fone de rad alimenação CA η Rendimeno do reaor % θ Deslocameno angular enre a ensão e a correne das lâmpadas rad Relação enre a freqüência de ressonância do circuio ρ p ressonane durane o processo de parida e a frequência de - comuação do inversor α Relação enre a freqüência de ressonância do circuio ressonane em regime permanene e a frequência de comuação inversor - ω Freqüência angular de comuação do inversor rad/s s V V V Ω ω Freqüência angular de ressonância enre C in e L in rad/s ω Frequência angular da rede de alimenação rad/s Símbolo CA. Acrônimos e abreviauras Significado Correne Alernada xviii

20 CC CI CIC CS TDH ZVS LC FC FP PFC CPPFC VS CRI CFP Correne Conínua Circuio inegrado Coninuous Inpu Curren Curren Source Taxa de Disorção Harmônica Zero Volage Swich Filro induivo-capacivo Faor de Crisa Faor de Poência Power Facor Correcion Charge Pump Power Facor Correcion Volage Source Índice de reprodução de cores Correção do Faor de Poência 3. Símbolos de unidades de grandezas físicas Símbolo Significado A Ampère C Coulomb Hz Herz F Faraday H Henry s Segundos V Vol W Wa Ω Ohm K Kelvin lm lumens lm/w Lumens/Wa div Divisão relaiva no osciloscópio 4. Símbolos dos elemenos de circuios xix

21 Símbolo C D L D z Lamp, Lamp e Lamp Diac R FS T e T MOSFET Significado Capacior Diodo Induor Diodo Zener Lâmpadas Diac Resisor Fusível Inerrupores do inversor Meal-Oxide-Semiconducor Field-Effec Transisor 5. Enidades Oficiais Símbolo Significado UFSC Universidade Federal de Sana Caarina IR e IRF Inernacional Recifier IEC Inernacional Elecroechnical Commission NBR Normas Brasileiras INMETRO Insiuo Nacional de Merologia, Normalização e Qualidade Indusrial xx

22 Inrodução Aualmene a preocupação com a qualidade da energia elérica fornecida pela rede pública é enorme. Praicamene odos os equipamenos elerônicos possuem um conversor elerônico em seu inerior, onde a energia proveniene da rede elérica na forma senoidal é ransformada em diferenes formas e níveis, as quais são uilizadas efeivamene pelo equipameno elerônico. A grande maioria deses conversores elerônicos, por quesões meramene econômicas, causa deerioração na forma de onda da ensão da rede elérica, ocasionado devido à forma de onda da correne ser não senoidal. Por ese moivo, ocorre a necessidade de uilização de algum disposiivo ou écnica para a correção do faor de poência, de modo a minimizar o coneúdo harmônico da correne suprida da rede pública e, com isso, maner o faor de poência próximo da unidade. Alguns exemplos de écnicas e conceios uilizados nese rabalho podem ser enconrados nas referências [6] e [8]. A busca por redução de cusos é sempre incansável, e o mercado de iluminação não é exceção. As novas esruuras apresenadas nese rabalho êm como objeivo principal, apresenar proposas que possuem um número reduzido de componenes, em função da inegração de elemenos passivos. O objeivo é minimizar os cusos de produção e, com isso, enar igualar o preço final ao consumidor com os reaores elerônicos sem correção do faor de poência, e que obedeçam odas as especificações das normas nacionais e inernacionais de cerificação de reaores elerônicos. Esas novas proposas opológicas vêm se apresenar como soluções alamene viáveis para uma faia basane grande do mercado de energia elérica, que possui cerca de 5% da energia consumida por fones de iluminação arificial. Recene esudo sobre avaliação écnica e econômica de reaores elerônicos, apresenado em [37], mosra que com a diferença enre reaores elerônicos com alo faor de poência e reaores com baixo faor de poência, no que se refere aos gasos com o fornecimeno de energia, alguns ganhos podem começar a ser significaivos para consumidores residenciais, a parir da uilização por mais de see horas por dia. Para os consumidores comerciais e indusriais, onde ocorre a cobrança por energia reaiva, é exremamene compensador para qualquer empo de uilização. E iso não ocorre só por quesões econômicas mas, muio, por esarem conribuindo efeivamene para a manuenção da qualidade de energia.

23 O uso de reaores elerônicos operando em ala freqüência é visivelmene araene, conforme [7], quando se leva em cona um menor consumo de energia. Esa redução no consumo de energia é obida aravés do seu alo rendimeno e de uma maior eficiência luminosa (lm/w), onde é possível ober uma mesma quanidade de lumens na lâmpada sem a necessidade da aplicação da poência nominal []. Oura grande vanagem da operação em ala freqüência é que o peso e o volume dos elemenos magnéicos são reduzidas proporcionalmene com o aumeno da freqüência de operação. Além disso, não apresenam ruído audível e efeio esroboscópico. As soluções proposas nese rabalho uilizam vários conceios já consagrados na área de projeos de reaores elerônicos para lâmpadas fluorescenes, ais como: inegração dos eságios do inversor e de correção do faor de poência, Charge-pump, mais especificamene Coninuous Inpu Curren Charge Pump Power Facor Correcion (CIC-CPPFC) [4]. Esas écnicas e conceios alamene discuidos e relaados apresenam grandes vanagens ciadas nas referências []-[4]. Ese rabalho apresena uma nova versão para os conceios ciados, onde alguns dos elemenos do anque ressonane são disposos de maneira inegrada a ouras eapas do reaor, como o filro de enrada e o circuio limiador de correne. As esruuras são opologicamene mais simples e reduzidas e ainda conseguindo maner odas as boas caracerísicas de suas esruuras predecessoras. No capíulo serão apresenados conceios fundamenais da área de projeos de reaores elerônicos, desde conceios provenienes de normas regulamenadoras inernacionais aé quesões ligadas aos aspecos consruivos e paraméricos. Será apresenada uma visão geral dos aspecos consruivos das lâmpadas fluorescenes, suas diversas variedades e ipos enconrados no mercado. Será apresenada ambém uma evolução opológica dos reaores elerônicos uilizando o conceio Charge-pump aé chegar à esruura que deu origem a ese rabalho. No capíulo será apresenada a primeira esruura, que consise de um reaor elerônico para uma lâmpada do ipo PL-6W. Será apresenada de maneira mais minuciosa a evolução opológica da esruura, o princípio de funcionameno, a análise maemáica para os elemenos principais de poência e do filro de saída equivalene, além dos resulados experimenais alcançados com a implemenação de um proóipo da esruura proposa com comando auo-oscilane dos inerrupores.

24 3 No capíulo 3 será apresenada a segunda esruura, que é um reaor elerônico para duas lâmpadas do ipo T8-6W. Serão apresenadas algumas considerações que foram necessárias para o aproveiameno da esrura anerior como base para a evolução, a análise maemáica para os elemenos de poência e do filro de saída equivalene e os resulados experimenais de um proóipo monado com freqüência fixa para o eságio inversor de saída. No capíulo 4 será apresenada a úlima esruura esudada, que consise de um reaor elerônico para duas lâmpadas do ipo T8-3W, onde serão apresenadas as modificações feias na esruura apresenada no capíulo, que é base do presene rabalho. As devidas considerações, para a sua uilização com duas lâmpadas ambém serão apresenadas, juno com a análise maemáica complea e os resulados experimenais de um proóipo monado em laboraório com a uilização do circuio inegrado IR-53 para o comando dos inerrupores do eságio inversor. No capíulo 5 são apresenadas as considerações finais, onde são desacados os principais ponos conclusivos alcançados de cada opologia proposa nese rabalho.

25 4 Capíulo - Caracerísicas das Lâmpadas Fluorescenes e Reaores Elerônicos. Inrodução A iluminação é responsável pelo consumo de 5% de oda a energia elérica produzida sendo que, além de odo ese monane consumido pela iluminação, % é gaso pelos sisemas de refrigeração para reirada do calor gerado pelas fones de iluminação [3]. Lâmpadas incandescenes são capazes de ransformar apenas % da energia consumida em luz, o resane é perdido na forma de calor. Novas ecnologias de iluminação êm avançado rapidamene, e o uso de lâmpadas e reaores mais eficienes pode ser uma boa opção para os auais elevados índices de consumo de energia elérica. Esudos mosram que a simples roca das lâmpadas incandescenes por fones de luz fluorescenes acarrea em uma economia da ordem de 35%. Ainda, quando as luminárias são rocadas por peças mais eficienes, aliado ao uso de sensores de presença e disposiivos de conrole de poência, em algumas aplicações a economia pode chegar a níveis da ordem de 86% [3]. Há empos arás se levava a crer que as lâmpadas fluorescenes seriam ecologicamene ruins, em função da presença de vapor de mercúrio na sua composição, mas esudos recenes mosraram que a incrível redução do consumo de energia, apresenada pela simples roca de fones incandescenes por fluorescenes, reduziram enormemene a emissão de mercúrio na amosfera, causada pela queima do carvão, nas esações ermoeléricas. Mesmo sem um desino adequado para os rejeios óxicos das lâmpadas fluorescenes colocadas no lugar das incandescenes, há uma redução significaiva no oal de emissão de mercúrio na amosfera.

26 5. Caracerísicas das Lâmpadas Fluorescenes Lâmpadas fluorescenes podem ser definidas como lâmpadas eléricas de descarga de baixa pressão de vapor de mercúrio, endo como revesimeno inerno do ubo de vidro maerial fluorescene capaz de ransformar a radiação ulraviolea proveniene da descarga inerna em luz visível. As primeiras lâmpadas fluorescenes foram apresenadas pelo cienisa Campbell por vola de 94, mas durane a II Guerra Mundial as pesquisas foram inerrompidas, sendo reomadas em 946 e, a parir desa daa, a popularidade desas lâmpadas foi quase que insanânea. Já em 97, uilizando disposiivos eleromagnéicos, as lâmpadas fluorescenes ubulares ornaram-se a fone de luz arificial dominane no mercado. Aualmene são enconradas em qualquer pare do mundo, sendo aplicadas principalmene no meio indusrial e comercial. Mas, com o adveno da expansão e redução nos cusos de produção dos reaores elerônicos, começam a liderar ambém nas aplicações residenciais. A ala eficiência, o bom rendimeno, a facilidade de manuenção e o empo de vida úil elevado, levaram a esimaiva de que cerca de 8% das fones de luz arificial sejam fluorescenes. No ano de 98 apareceram as primeiras lâmpadas fluorescenes compacas no mercado europeu. Esas lâmpadas são referenciadas popularmene como lâmpadas econômicas e eficienes, quando comparadas com as lâmpadas incandescenes. Com esas lâmpadas é possível ober significaiva redução da poência consumida, com o mesmo fluxo luminoso..3 Aspecos Consruivos das Lâmpadas Fluorescenes As lâmpadas fluorescenes ubulares são essencialmene ubos de descarga elérica de baixa pressão com caodo aquecido. A descarga elérica é de baixa pressão no vapor de mercúrio. Basicamene a energia dissipada na descarga elérica é converida em radiação ulraviolea. Apenas 3% da energia é converida direamene em luz visível e 63% em

27 6 radiação ulraviolea, o resane é dissipado na forma de calor, ano na coluna de descarga quano nos elerodos. A radiação ulraviolea proveniene da coluna de descarga aravessa a coberura de fósforo inerna do ubo de vidro. Esa energia na forma de radiação ulraviolea é absorvida pelo maerial da coberura. A maior pare desa energia é converida em radiação visível e o resane é converido em calor e dissipado pela coberura de fósforo []. Pode-se verificar que a eficiência de uma lâmpada fluorescene depende de dois principais faores. Primeiramene a eficiência da conversão da energia elérica proveniene da rede elérica em radiação ulraviolea e poseriormene a eficiência da conversão da radiação ulraviolea em luz visível. Os dois faores ciados dependem da esruura física do ubo de descarga. Alguns parâmeros consruivos do ubo de descarga devem ser considerados para se ober um melhorameno dos faores de eficiência, ais como: O comprimeno do ubo de descarga; O diâmero do ubo de descarga; A proporção da misura de gases, vapor de mercúrio e gases ineres no inerior do ubo de descarga (Argônio, Cripônio e Neônio); A pressão inerna dos gases no ubo de descarga; Os valores escolhidos para eses parâmeros é que deerminarão a eficiência da produção da radiação ulraviolea..4 Tipos de Lâmpadas Fluorescenes As lâmpadas fluorescenes podem ser divididas principalmene em: Lâmpadas fluorescenes compacas; Lâmpadas fluorescenes ubulares; Lâmpadas fluorescenes com pono único de conexão. Nos úlimos anos surgiu um grande número de lâmpadas fluorescenes ubulares, com um número ambém cada vez maior de reaores compaíveis para cada uma das aplicações. Isso orna a uilização dos reaores elerônicos cada vez mais araivos.

28 7 No presene rabalho, serão uilizadas lâmpadas PL-6W, consideradas lâmpadas fluorescenes com pono único de conexão e as lâmpadas T8-6W e T8-3W, que são lâmpadas fluorescenes ubulares..5 Caracerísicas da Lâmpada PL-6W As principais caracerísicas das lâmpadas PL-6W são: Poência: 6W; Tempo de vida úil:. horas; Temperaura de cor:.7, 3., 3.5, 4.K; Índice de reprodução de cores: 8 CRI; Fluxo luminoso de saída:.8 lm; Eficiência máxima: 69 lm/w; Comprimeno: 7 mm..6 Caracerísicas da Lâmpada T8-6W As principais caracerísicas das lâmpadas T8-6W são: Poência: 6W; Tempo de vida úil: 7.5 horas; Temperaura de cor: 3., 4.K; Índice de reprodução de cores: 6-89 CRI; Fluxo luminoso de saída:.5 lm; Eficiência máxima: 65 lm/w; Comprimeno: 59 mm.

29 8.7 Caracerísicas da Lâmpada T8-3W As principais caracerísicas das lâmpadas T8-3W são: Poência: 3W; Tempo de vida úil: 7.5 horas; Temperaura de cor: 3., 4.K; Índice de reprodução de cores: 6-89 CRI; Fluxo luminoso de saída: 3.5 lm; Eficiência máxima: 95 lm/w; Comprimeno:. mm..8 Caracerísicas dos Reaores Elerônicos Reaores elerônicos podem ser definidos como disposiivos que fazem a ligação enre a fone de alimenação e a lâmpada de descarga, de modo que seja capaz de limiar a correne na lâmpada durane a operação em regime permanene e fornecer energia suficiene para a parida da mesma. Os reaores elerônicos são composos principalmene de dois eságios básicos. Primeiramene o eságio reificador, onde a ensão proveniene da rede é ransformada em ensão conínua, e um segundo eságio inversor onde a ensão conínua novamene é ransformada em ensão alernada, sendo esa úlima ransformação capaz de fazer a ensão variar em ala freqüência. Enre os dois eságios ciados se deve colocar um ouro eságio, responsável pela correção do faor de poência. Uma oura caracerísica do reaor elerônico é o processo de parida, onde alguns disposiivos são capazes de fornecer à lâmpada uma correne de pré-aquecimeno do filameno, impedindo que a mesma enha parida a frio. Isso ambém possibilia que a mesma enha parida aravés de níveis de ensão menos elevados, sendo definida como parida rápida, quando a mesma é pré-aquecida e parida insanânea quando a mesma em a sua parida a frio.

30 9 Com o desenvolvimeno dos semiconduores de poência, com capacidade de comuação de elevados valores de ensão em alas freqüências, foi possível a consrução de disposiivos elerônicos capazes de conrolar a correne das lâmpadas fluorescenes, com um cuso e volume aceiável pelo mercado. Além desas vanagens já ciadas, os reaores elerônicos possuem uma série de ouras vanagens, ais como:. A economia de energia chega a 3% quando comparados com os reaores eleromagnéicos convencionais;. Aumeno da vida úil da lâmpada; 3. Ausência do efeio esroboscópico e de cinilação; 4. Ausência de ruído; 5. Faor de poência elevado (quando possuir circuio CFP); 6. Alimenação em 6Hz, 5Hz ou CC; 7. Peso e volume reduzidos; 8. Cuso de fabricação, insalação e manuenção reduzidas; 9. Algumas lâmpadas com ecnologias mais avançadas, só operam com reaores elerônicos;. Proporcionam maior eficiência luminosa da lâmpada (lm/w). Aualmene os reaores elerônicos obedecem à norma inernacional IEC 6-3- Classe C [34] e as normas nacionais NBR 447 [3] e 448 [33] que regulamenam os reaores elerônicos para lâmpadas fluorescenes ubulares. Também se faz presene a Poraria 88 do INMETRO [35], de 9 de Novembro de 4 e, a parir de de junho de 6, enrou em vigor a poraria 3 do INMETRO [36] que regulamena as lâmpadas fluorescenes compacas, que operam exclusivamene com reaores elerônicos..9 Reaores Elerônicos Uilizando o Conceio Charge-pump Os reaores elerônicos que uilizam o conceio Charge pump êm como caracerísica principal o baixo número de componenes aliado à compaibilidade com as normas vigenes. Conforme ciado aneriormene, a ecnologia Charge pump, mais

31 especificamene Coninuous Inpu Curren Charge Pump Power Facor Correcion (CIC-CPPFC) [4], é uma solução basane araiva para a correção do faor de poência, pois consegue sanar diversos problemas apresenados por esruuras básicas de reaores elerônicos que uilizam eságios pré-reguladores do ipo Boos ou Buck-Boos [] para correção do faor de poência e, além disso, possuem bem menos componenes. Reaores elerônicos uilizando o conceio Charge Pump, além de cusos de produção reduzidos por possuírem menor quanidade de componenes, apresenam caracerísicas ais como: baixa disorção harmônica na correne de enrada, menores correnes nos inerrupores e menores ensões no barrameno CC, o que possibilia a alimenação de enrada em V []. Diversos rabalhos a respeio da uilização do conceio Charge-pump em reaores elerônicos já foram publicados. Dividindo-se em rês caegorias diferenes desaca-se as esruuras do ipo Volage Source Charge Pump Power Facor Correcion (VS-CPPFC), no rabalho apresenado por Maehara [9]. Nas esruuras do ipo Curren Source Charge Pump Power Facor Correcion (CS-CPPFC) os desaques são os rabalhos apresenados por Moisin [] e Qian [] e para as esruuras do ipo Coninuous Inpu Curren Charge Pump Power Facor Correcion (CIC-CPPFC) o desaque é o rabalho apresenado por Qian [4].. Diversas Topologias Para Reaores Elerônicos Primeiramene apresena-se a opologia básica de um reaor sem correção do faor de poência, que é a esruura mais usada em sisemas de iluminação fluorescene de baixa poência, como as lâmpadas fluorescenes compacas enconradas facilmene nos supermercados do mundo ineiro. Consiuído de um conversor série-paralelo ressonane na configuração meia-pone, é alimenado por ensão não-simérica. As vanagens para esa esruura esão na simplicidade e na possibilidade de uilizar um circuio de comando auooscilane para o inversor, além da ensão nos inerrupores não exceder o valor de pico da ensão da fone de enrada. Mas a desvanagem da esruura apresenada na Fig.. é o baixo faor de poência.

32 D D 3 C r T D T vg () Lamp C d L r m C B T D T D D 4 s Fig.. Reaor elerônico sem correção do faor de poência. A Fig.. apresena a esruura de um reaor com eságios inegrados [6], onde o eságio pré-regulador Boos responsável pela correção do faor de poência esá inegrado ao inversor na configuração meia-pone. Sua principal vanagem é a correção do faor de poência, o que é primordial nas configurações que operam com poências mais elevadas e cabíveis nas normas vigenes, mas com algumas desvanagens écnicas, ais como, correnes elevadas nos inerrupores, ensão de barrameno acima do valor de pico da ensão de enrada e filros de enrada volumosos. vg ( ) Fig.. Reaor elerônico com eságios inegrados. Na seqüência são apresenadas as esruuras que uilizam o conceio Chargepump. Tem-se a esruura ípica do ipo Volage Source Charge Pump Power Facor Correcion (VS-CPPFC) [9] na Fig..3, onde a correção do faor de poência aconece da

33 seguine forma: durane a comuação dos inerrupores do eságio inversor, a fone vg ( ), aravés do capacior C in, passa a fornecer correne para o reaor na freqüência de comuação, aumenando o ângulo de condução dos diodos da pone reificadora. Como desvanagem desa esruura pode-se ciar as elevadas correnes nos inerrupores, que podem chegar a duas vezes a correne de arco da lâmpada, provocando perdas por condução e conseqüene redução no rendimeno. D y L f D D 3 T D T vg () C f C in C d L r m C B C r Lamp T D T D D 4 s Fig..3 Reaor elerônico Volage Source Charge Pump Power Facor Correcion (VS-CPPFC). A Fig..4 apresena a esruura ípica de um reaor do ipo Curren Source Charge Pump Power Facor Correcion (CS-CPPFC) [] e [], onde a correne do circuio ressonane é a mesma da lâmpada, caracerizando-se como uma fone de correne. Uma de suas vanagens em relação à anerior é o menor valor de correne nos inerrupores e o posicionameno do capacior C in, o que limia a ensão de barrameno e propicia um caminho de reorno de energia para a lâmpada, o que melhora o faor de crisa da correne da lâmpada, onde o faor de crisa é dado pela razão enre o valor de pico sobre o valor eficaz da correne em quesão.

34 3 C in s L f D D 3 C r D y T D T vg () C f Lamp C d L r m C B T D T D D 4 Fig..4 Reaor elerônico Curren Source Charge Pump Power Facor Correcion (CS-CPPFC). Na Fig..5 mosra-se o diagrama do conversor PFC [4], que é o pono de parida para obenção do reaor elerônico Coninuous Inpu Curren Charge Pump Power Facor Correcion (CIC-CPPFC). O que caraceriza o reaor ser do ipo CIC-CPPFC ou não, é a correne fornecida pela fone de enrada. Se nenhum filro LC de enrada for inserido e mesmo assim a fone fornecer correne com condução conínua durane um período de comuação do inversor de saída, o reaor é caracerizado como Coninuous Inpu Curren Charge Pump Power Facor Correcion (CIC-CPPFC), com correne de enrada conínua, podendo ainda ser do ipo VS-CPPFC ou do ipo CS-CPPFC, dependendo apenas do ipo de correne de saída [4].

35 4 ix ( ) ( ) vx + Box vg () ig ( ) + V B Conversor Fig..5 Diagrama do conversor PFC. Para que o conversor alcance a caracerísica desejada de condução conínua de correne na enrada, o mesmo deve ser capaz de apresenar as formas de onda indicadas na Fig..6, conforme os ponos de medição apresenados no diagrama da Fig..5. V B vg () vx () ix ( ) vx () Fig..6 Formas de onda requeridas do conversor PFC.

36 5 Para se ober a saída desejada é preciso uilizar um conversor do ipo sérieparalelo ressonane, fazendo com que o reaor elerônico Coninuous Inpu Curren Charge Pump Power Facor Correcion (CIC-CPPFC) enha a configuração apresenada na Fig..7. vg () Fig..7 Reaor elerônico Coninuous Inpu Curren Charge Pump Power Facor Correcion (CIC-CPPFC). O reaor elerônico Coninuous Inpu Curren Charge Pump Power Facor Correcion (CIC-CPPFC) possui como vanagens os baixos valores de correne e de ensão nos inerrupores, o que possibilia a uilização dos mesmos componenes usados nos reaores com duplo eságio. Esa solução é basane viável, pois uiliza componenes com menor cuso e em menor quanidade, manendo as boas caracerísicas com cuso baixo. Mas esas opologias apresenam alguns problemas. Uma delas é que esas écnicas somene são eficazes quando uilizadas junamene com um filro LC de enrada, necessário para eliminação dos harmônicos de ala freqüência bem como para eviar as inerferências eleromagnéicas. A oura é que elas produzem um elevado faor de crisa na correne da lâmpada, exrapolando em ceros casos os limies especificados pelas normas.

37 6 vg () Fig..8 - Topologia apresenada por Moisin [] para Reaor elerônico Coninuous Inpu Curren Charge Pump Power Facor Correcion (CIC-CPPFC). Os reaores apresenados nas Fig..7 e Fig..8 são os ponos de parida para o esudo apresenado nese rabalho, o que visa principalmene ober reaores que apresenem mínima quanidade de componenes, como peso e volume reduzidos, como por exemplo, os elemenos eleromagnéicos ou a ransferência de funções desses componenes para ouros em ouras posições, mas sempre manendo a esruura denro dos limies das normas écnicas nacionais e inernacionais.

38 7 Capíulo Reaor CIC-CPPFC Para Uma Lâmpada do Tipo PL-6W. Inrodução Nese capíulo será apresenado um reaor elerônico, baseado no conceio CIC- CPPFC Coninuous Inpu Curren Charge Pump Power Facor Correcion, aplicado para uma lâmpada fluorescene do ipo compaca com pono único de conexão PL-6W. A opologia proposa nese capíulo apresena-se como pare da evolução de algumas esruuras apresenadas em []. A uilização desa esruura como pare inegrane dese rabalho é jusificada por alguns moivos, ais como: a busca por esruuras com reduzido número de componenes e que obivessem resulados compaíveis com as normas vigenes, sendo possível o seu rápido aproveiameno na indúsria. Nese esudo serão apresenados a evolução opológica, o princípio de funcionameno, as eapas de operação, o equacionameno e os resulados experimenais alcançados com as devidas análises.. Topologia Proposa A opologia proposa é uma derivação da apresenada por [7], aonde se chegou a opologia que apresena um circuio simérico que, por sua vez foi baseado no rabalho de [] (Fig..). A opologia simérica apresenada em [7] em como caracerísicas o induor L in conecado do lado CA do reificador e os diodos da pone reificadora assumem a função de D y. Os capaciores C in são disposos em paralelo com os diodos da pone reificadora, configurando assim a simeria do circuio (Fig..). A parir da opologia apresenada por [7] e com mais algumas alerações obeve-se a opologia proposa nese capíulo, onde o capacior C d foi eliminado, pois além dele os

39 8 capaciores C f e C f pode assumir duas funções, que é de filro para a correne de enrada em baixa freqüência e filro dos níveis CC dos circuios ressonanes na saída do inversor em ala freqüência. Mas a mais significaiva ausência é a do induor ballas que normalmene aparece em série com a lâmpada. Sua função no anque ressonane passa a ser assumida pelos induores de enrada L in e L in, que passam a agregar diversas funções, como a de filro de enrada, de limiador de correne da lâmpada e ainda paricipam na parida da lâmpada. Esa opologia além de possuir um baixo faor de crisa da correne na lâmpada, o que não é comum nas opologias dias Charge-pump, possui ambém um número basane reduzido de componenes. Oura caracerísica imporane desa opologia é a colocação dos capaciores em paralelo com os diodos da pone reificadora que, além de maner a simeria do circuio, consegue uma melhor disribuição de energia enre os capaciores do circuio, proporcionando menor ensão de barrameno e melhorando ainda mais o faor de poência com a redução das ampliudes das componenes de ala freqüência. Pode-se noar claramene que esa nova opologia apresena um número basane reduzido de componenes, o que proporciona grande possibilidade de compacação, o que significa baixos invesimenos na esruura mecânica de acoplameno do reaor na luminária. Ainda há a possibilidade de acoplameno dos induores de enrada, o que faciliaria muio o equacionameno da esruura, mas prejudicaria a função de filro de enrada, provocando uma elevação expressiva das componenes de correne em ala freqüência, o que alvez não seja empecilho para as auais normas vigenes. Mas, como a esruura já é basane simples, opou-se por desenvolver uma solução com uma fore conoação na qualidade de energia. A parir da opologia proposa, será realizada uma análise a fim de se ober as eapas de funcionameno e os equacionamenos maemáicos onde, junamene com a meodologia apresenada por [6], é possível ober os valores dos elemenos de poência, respeiando a condição de faor de poência uniário e as boas qualidades do CIC-CPPFC.

40 9 vg () Fig.. Topologia apresenada no rabalho de Moisin. L f L in D D 3 C C r T D T vg () C f Lamp C d L r m C B T D T D D 4 C Fig.. - Topologia apresenada por Nascimeno em [6] e [7]. C P s L in ( ) vg C f C f L in C P s Fig..3 - Topologia proposa.

41 .3 Princípio de Funcionameno Como o princípio de funcionameno do circuio é o mesmo para os semi-ciclos posiivo e negaivo da rede, e ambém em função da simeria do circuio denro de um período de comuação em ala freqüência, apresena-se apenas meade das eapas de um período de comuação denro do semi-ciclo posiivo da rede. Para a descrição das eapas de funcionameno e da eapa de equacionameno, foram consideradas para a análise do circuio algumas simplificações: A ondulação da ensão V B (ensão sobre C B ) será desprezada; A ensão nos erminais da fone de enrada v ( ) durane um período de comuação; g será considerada consane A correne de enrada será considerada consane durane odo o período de comuação; As correnes dos circuios ressonanes serão consideradas fones de correnes igualmene ideais; Todos os componenes serão considerados ideais. Ressala-se novamene que nesa nova opologia o induor normalmene colocado em série com a lâmpada (induor ballas ) não esá sendo uilizado devido à possibilidade dos induores de enrada L in e L in, poderem assumir várias finalidades: filragem da correne de enrada, limiar a correne da lâmpada e auar no processo de ignição da lâmpada..4 Eapas de Operação ª Eapa ( ~ ): Na eapa anerior os diodos D e D 4 esavam conduzindo junamene com T. Em, a correne em Lin de correne pelo capacior C P. invere de senido, provocando a passagem

42 A correne em C B chega a zero levando D 4 ao bloqueio nauralmene. A parir dese insane, começa ocorrer a variação de carga em C P, reduzindo a ensão em seus erminais. Como a ensão dos capaciores C f e C f é consane durane o período de comuação, a ensão sobre L in e L in varia de acordo com a ensão do capacior C P, fazendo com que eses elemenos enrem em ressonância. Esa eapa ermina quando T é comandado a bloquear. s vg ( ) s Fig..4 - ª Eapa de operação. ª Eapa ( ~ ): Em, como as correnes dos induores L in e L in não podem variar insananeamene, o diodo D T passa a conduzir a correne de carga junamene com o capacior C B, que sofre um aumeno insanâneo de correne. A correne em in L e C P vola a inverer de senido, elevando o valor de ensão nos erminais de C P. Durane esa eapa o inerrupor T é comandado a conduzir. Esa eapa ermina quando a ensão no capacior C P alcança o seu valor de grampeameno V B, polarizando direamene o diodo D 4 que enra em condução.

43 s vg () s Fig..5 - ª Eapa de operação. 3ª Eapa ( ~ 3 ): Em, com a polarização do diodo D 4 vola a ocorrer circulação de correne pelo mesmo. Nesa eapa C P e C P esão com ensão grampeada e igual a V B e as correnes nos diodos D e D 4 diminuem e aumenam respecivamene, segundo a variação de carga de C B. Durane esa eapa ambém ocorre a inversão da correne na carga. Esa eapa ermina quando a correne em L in se anula e D bloqueia nauralmene. s vg ( ) s Fig..6-3ª Eapa de operação. 4ª Eapa ( 3 ~ 4 ): No insane 3, a correne em L in chega a zero, bloqueando nauralmene D. Nese mesmo insane começa a ocorrer uma variação de carga em C P, diminuindo a ensão em seus erminais, aravés da correne que se invere em L in. Como

44 3 as ensões em C f e C f são consanes durane o período de comuação, as ensões em L in e in ressonância. L variam conforme a ensão no capacior C P, colocando eses elemenos em Esa eapa ermina quando T é comandado a bloquear. vg ( ) C f L in D D 3 C P + - C r Lamp T s m D T C B C f i Lamp T D T L in C P D D 4 s Fig..7-4ª Eapa de operação. 5ª Eapa ( 4 ~ 5 ): Em 4, T é comandado a bloquear. Como a correne de carga não pode variar insananeamene, o diodo D T passa a conduzir, junamene com C B, que sofre um aumeno insanâneo de correne. A correne em L in invere de senido e vola a aumenar a ensão sobre os erminais de C P. Durane esa eapa o inerrupor T é comandado a conduzir. Esa eapa ermina quando a ensão sobre C P alcança seu valor de grampeameno V B e polariza o diodo D, colocando o mesmo em condução.

45 4 s vg ( ) s Fig..8-5ª Eapa de operação. 6ª Eapa ( 5 ~ 6 ): Em, com a polarização do diodo 5 D vola a ocorrer circulação de correne pelo mesmo. Durane esa eapa a correne de carga se invere e T enra em condução. Nesa eapa C P e C P em as ensões grampeadas em V B e as correnes em D e D 4 aumenam e diminuem respecivamene, segundo a variação de carga do capacior C B. Esa eapa finaliza quando a correne em L in se anula e D 4 bloqueia nauralmene. s vg ( ) s Fig..9-6ª Eapa de operação..5 Formas de Onda As formas de onda referenes às eapas descrias são apresenadas na Fig..:

46 5 T T i Lamp i Lin i Lin i CP i CP v Lin v CP v ms Fig.. - Formas de onda da opologia proposa..6 Análise Maemáica A análise maemáica é realizada aravés da observação das eapas de operação, as quais represenam o princípio de funcionameno do reaor. Aravés da análise maemáica será possível definir os parâmeros principais do reaor apresenado. Pode-se observar que não há a necessidade de analisar odas as eapas, viso que algumas são repeiivas em ermos de análise maemáica e, desa forma, não em influência nos resulados das

47 6 grandezas que serão calculadas. Sendo assim, serão uilizadas somene as eapas que esão enre os empos e 3. Nese inervalo de empo, ocorre a variação de carga no capacior C P, permiindo que as equações definidas nesas eapas deerminem os valores dos induores L in e L in, e dos capaciores C P e C P. Como a variação de carga do capacior C P é idênica à variação de C P, não há necessidade de se repeir a análise para o inervalo de empo onde ocorre esa variação. Porano, as equações que deerminam C P são as mesmas que definem C P e as que deerminam L in são as mesmas que definem L in..6. Considerações v () = V sin( ω ) (.) g P i () = I sin( ω + θ ) (.) Lamp P Lamp s dilin () vlin () = Lin d (.3) dilin() vlin() = Lin d (.4) dvcp () icp () = CP d (.5) dvcp() icp() = CP d (.6).6. Condições iniciais i () = I sin( θ ) (.7) Lamp P Lamp i () CP = (.8) i () CP = (.9) v v CP CP () = VB (.) () = VB (.)

48 7.6.3 Inervalo de a v () v () + v () + v () = (.) CP g Lin Lin v () = v () v () v () (.3) CP g Lin Lin dilin () dilin() vcp () = vg () L in Lin d d (.4) Derivando-se (.4) em-se: Sabendo que: dv () CP Lin() Lin() = Lin d i L d i in (.5) d d d i () = i () (.6) Lin CP dilin() dicp () = (.7) d d v () + v () = v () (.8) Cf Cf g dvcf () dvcf () = (.9) d d Aplicando-se a primeira lei de Kirchhorff em-se: i () = i () + i () Lin CP Lamp Lin CP Lamp (.) i () i () = i () (.) Derivando-se (.) em-se: dilin () dicp () = ωs IP Lamp cos( ωs + θ) d d (.) dicp () dilin () = ωs IP Lamp cos( ωs + θ) (.3) d d Subsiuindo (.3) em (.4), em-se: dilin () dilin() vcp () = vg () Lin Lin ωs IP Lamp cos( ωs θ) d + d (.4) dilin () vcp () = vg () + ( Lin Lin ) + Lin ωs IP Lamp cos( ωs + θ) (.5) d dvcp () d ilin () = ( Lin Lin) L in ωs IP Lamp sin( ωs + θ) (.6) d d Enão, a parir de (.), em-se:

49 8 dvcp () ilin () CP = IP Lamp sin( ωs + θ ) (.7) d Subsiuindo (.6) em (.7), em-se: dilin () ilin () CP ( Lin Lin) L in ωs IP Lamp sin( ωs + θ) = IP Lamp sin( ωs + θ) d dilin () ilin () CP ( Lin Lin) + C P Lin ω s IPLamp sin( ωs + θ) = IPLamp sin( ωs + θ) d dilin () ilin () CP ( Lin Lin ) = ( C P Lin ωs ) IP Lamp sin( ωs + θ) d dilin () ilin () + CP ( Lin + Lin) = ( C P Lin ωs ) IP Lamp sin( ωs + θ) (.8) d Aplicando as seguines simplificações: L + L = L (.9) in in C = C = C (.3) P P dil() C L il() + C L = ( ω ) sin( ) s IP Lamp ωs + θ (.3) d I C = L ω I (.3) Lamp ( s ) P Lamp Obem-se a equação diferencial de segunda ordem, na forma represenaiva da correne nas induâncias de enrada: dil() il() + C L = I sin( ) Lamp ωs + θ (.33) d Solução da equação diferencial: Aplicando Laplace na equação (.33) em-se: di () s I s C L s I s s i I I L L() + L() L() = Lamp sin() θ + cos() Lamp ωs θ d s + ωs s + ωs De (.4) em-se: (.34) Logo: di d v () V = L L () g B (.35)

50 9 v () g V B s IL() s + C L s IL() s s ILamp sin() θ = ILamp sin() θ + L s + ωs ILamp ωs cos( θ) s + ω s Assumindo que ω = C L e C = Z ω L Onde Z = C E rabalhando a equação em-se: s s IL() s + sin( ) cos( ) = ILamp θ + I Lamp ωs θ + ω s + ωs s + ωs I sin( ) vg() V Lamp θ B s + ω Z ω I ω ω cos( θ) I () s s + ω = I sin( θ) ω + + s I sin( θ) + s Lamp s L ( ) Lamp Lamp s + ωs s + ωs vg() V B + ω Z s I ( s) = I sin( θ) ω + I ω ω cos( θ) + L Lamp Lamp s ( s + ωs ) ( s + ω ) ( s + ωs ) ( s + ω ) s vg() V B + ILamp sin( θ ) + ω ( s + ω ) Z ( s + ω ) Aplicando a ransformada inversa de Laplace nos ermos possíveis da expressão anerior em-se: L s ω ω s ω ωs = ( s + ωs ) ( s + ω ) L L s cos( = ω ) ( s + ω ) sin( = ω ) ( s + ω ) ω ( cos( ) cos( ) )

51 3 em-se: Obendo as frações parciais do ermo que segue em-se que: A B C D = ( s + ωs ) ( s + ω ) ( s+ jω s) ( s jωs) ( s+ jω) ( s jω) Onde os valores de A, BC, e Dsão deerminados da seguine maneira: ( s+ jωs ) s+ jω s jω s jω ( ) ( jω ) ( s+ ) ( ) j ω ω ω A = = ( ) s s s= jω s s s ( s jωs ) s+ jω s jω s jω ( ) ( jω ) ( s+ ) ( ) j ω ω ω B = =+ ( ) s s s=+ jω s s s ( s+ jω ) ( ) ( ) ( ) ( ) C = =+ s+ jω s jω s+ jω s jω j ω ( ω ω ) s s s= jω s ( s jω ) ( ) ( ) ( ) ( ) D = = s+ jω s jω s+ jω s jω j ω ( ω ω ) Desa forma em-se que: s s s= jω s = ( s + ωs ) ( s + ω ) ( ω ωs ) ( s + ωs ) ( s + ω ) Aplicando a ransformada de Laplace inversa em cada ermo da expressão anerior, L sin( ωs ) sin( ω ) = ( s + ωs ) ( s + ω ) ( ω ωs ) ωs ω Junando odos os ermos obidos aravés da ransformada de Laplace inversa e rabalhando a equação em-se: Onde: v () V il( ) = ILamp sin( θ) cos( ω ) + sin( ω ) + K g B Z (.36) ω ω s K = I sin( ) sin( ) cos( Lamp ωs + θ θ ω ) cos( θ) sin( ω ) (.37) ω ωs ω

52 3.6.4 Inervalo de a 3 dil () vg() + L + VB = (.38) d di d v () V = (.39) L L () g B vg() VB dil () = d (.4) L v () V di d L il ( 3) g B 3 () L ( ) L = i (.4) vg() VB il() = ( ) + il( ) (.4) L.6.5 Cálculo da correne média no induor soluções: 3 I = i () d + i () d (.43) Lmed L L T r Tr Para < < em-se as seguines considerações, inegrais e suas respecivas α ω ω =,, s d = φ φ d ω = ω e ω s Ts = π Lamp Lamp s π T I sin( θ ) cos( ω ) d = I sin( θ) cos( α φ) dφ sin( α φ) = I Lamp sin( θ ) π α = I Lamp sin( θ) sin( ) sin() π α = I Lamp sin( θ) sin( α π) π α π π [ α π ]

53 3 v g() V B vg() V B π sin( ) d sin( ) d T ω = ω φ s Z π Z vg() V B cos( α φ) = π Z α vg() V B = + π α Z vg() VB = π α Z [ cos( α π) ] [ cos( α π) cos() ] π ω π I sin( ω + θ) d = I sin( φ+ θ) dφ Lamp s Lamp s ω ωs π ω ω s T ω ω = + π ω π I Lamp ( cos( φ θ) ) ωs ω = I Lamp + + π ω ωs ω = I Lamp + π ω ωs ω = I π ω ωs Lamp [ cos( π θ) cos( θ) ] [ cos( θ) cos( θ) ] cos( θ ) α = I cos( θ ) π α Lamp ω π I sin( θ) cos( ω ) d = I sin( θ) cos( α φ) dφ Lamp Lamp s ω ωs π ω ω s T ω π ω α φ I sin( ) Lamp θ s sin( ) = π ω ω α ω = I Lamp sin( θ) sin( ) sin() π α ω ωs ω = I π α ω π α ωs Lamp [ α π ] sin( θ) sin( α π) α = I Lamp sin( θ) sin( α π)

54 33 ω ω ω θ π I cos( θ ) sin( ω ) d = I sin( α φ) dφ s cos( ) Lamp Lamp s ω ωs ω π ω ωs α T π ω θ α φ I Lamp s cos( ) cos( ) = π ω ω α α ω cos( θ ) = + π ω ω α ω = π ω I Lamp s I Lamp ωs α [ cos( α π) cos() ] cos( θ ) + [ cos( α π) ] = I cos( ) cos( ) Lamp θ π α [ α π ] Logo: v () V ( ) = sin( θ) sin( α π) + [ cos( α π) ] + T g B i L d ILamp s π α π α Z α α + I cos( ) sin( ) sin( ) Lamp θ I Lamp θ α π + π α π α I cos( ) Lamp θ [ cos( α π) ] π α vg() VB α = I cos( Lamp θ ) [ cos( α π) ] + I Lamp cos( θ) + π α Z π α π α I Lamp sin( θ) sin( α π) α + π α α Para < < 3 em-se a seguine inegral:

55 34 v () V i () d = ( ) d + i ( ) d T L T T 3 g B 3 3 L L s s s 3 g() B L L Ts T s v V = + i ( ) vg() VB = + L Ts T v () g VB 3 = L Ts () 3 3 il( ) 3 s 3 3 ( ) ( ) + i ( ) ( ) L 3 Ts vg() VB = + + L Ts T T Aproximando s T =, 3 = s e il( ) 3 s i ( ) I L P = P =. VP Sendo P a poência de saída do reaor em-se que: Logo: v () V T L T T 3 g B 3 il () d = il ( ) 3 s s s ( ) g() B s s s s s v V T T T P T T = + + L Ts Ts V P 3 vg() VB Ts P = + L 7 3 V P v g() V B α ILmed = I cos( ) Lamp θ [ cos( απ )] + I cos( ) Lamp θ+ π α Z π α π α (.44) I sin( ) sin( ) vg() V Lamp θ α π α B Ts P π α α L 7 3 V Fazendo θ = em-se: v g() V B α ILmed = I Lamp [ cos( α π) ] + I Lamp + π α Z π α π α vg() VB Ts P + L 7 3 V P P Ts cos( α π) I Lmed = vg () + + K 7 L π α Z (.45)

56 35 Onde: Ts cos( α π) α P K = VB + + I Lamp + I Lamp [ cos( α π) ] 7 L π α Z π α + π α 3 V P O faor de poência é uniário quando K =, logo: Ts cos( α π) α P = VB + + I Lamp + I Lamp [ cos( α π) ] 7 L π α Z π α + π α 3 V P Trabalhando-se a equação em-se: ( ) π α + cos( απ ) P ILamp = VB + I Lamp [ cos( α π) ] α 7 Lf s π α Z 3 V P π α (.46) A parir de (.46) é possível ober a expressão para V B : V B α P I Lamp + I Lamp [ cos( α π) ] π α π α + 3 V = Ts cos( α π) + 7 L π α Z P (.47).6.6 Meodologia de Projeo Com faor de poência uniário em-se: i g p () = v () i () (.48) in g g () = ( ) + ( ) = ( ) + ( ) i i i i i g Lin Cf Lin Cf () = ( ilin ( ) + icf ( ) ) + ilin( ) + icf ( ) i g ( ) = ( ) i i () Cf Cf ( ) ( ) + ( ) ilin ilin = ( ) = ( ) = ( ) i i i Lin Lin L g ( ) = ( ) i i L (.49) p () = v () i () (.5) in g L A poência média de enrada é obida da seguine maneira:

57 36 Logo: Pin = vg () il() d (.5) Ts cos( α π ) Pin = vg () + 7 L π α Z (.5).6.7 Cálculo de C Considerações: ω = C L C = Z ω Z P L = C = η P in v () = g V P P C = η VP fs 7 L fs cos( α π) (.53).6.8 Cálculo de L Considerações: ω = = α ωs C L ω = π s fs Subsiuindo o valor de C em-se: L = C (.54) 4 π α fs Desa forma em-se que: η V cos( α π) L = + P 8 P f s π α 8 (.55)

58 37 e C = C = C P P L + L = L L in in L = L = in in.6.9 Cálculo dos Elemenos do Circuio Ressonane A Fig.. mosra o circuio equivalene para o circuio ressonane e a ensão enre os erminais m e s. O projeo do circuio ressonane é para valores próximos da ensão de barrameno, sendo a ensão v ms de pico a pico igual a ensão de barrameno CC. s ilamp ( ) vms ( ) vms ( ) m V B Fig.. Circuio ressonane equivalene e ensão aplicada. Uilizando equações para divisão de ensão, obém-se a equação de ganho para o circuio equivalene, que é dada por: V V o ms = X L X + j X R Cr L (.56) A impedância da lâmpada, durane o ransiório de parida, é considerada como sendo infinia, sendo represenada pela equação diferencial que segue: d VB sen s = L Cr v C + v r C r d ( ω ) () ()

59 38 Durane o processo de parida da lâmpada, a solução desa equação diferencial depende da relação enre a freqüência de comuação e a freqüência de ressonância da rede LC da carga. A freqüência de ressonância da carga LC é dada pela seguine equação: f op = (.57) π LC Caso a freqüência de comuação seja igual a freqüência de ressonância, a solução da equação diferencial para condições iniciais nulas é dada por: V VB ω B op VC = sen( ω ) cos( ) r op ωop A correne no induor L é descria maemaicamene por: il() = Cr VB ωop sen( ωop ) Tano a ensão como a correne da carga, endem ao infinio com o passar do empo. Como a lâmpada fluorescene possui uma ensão de ignição elevada, ou seja, para que se esabeleça o arco, que é definida pela sua geomeria, poência e pressão, ese comporameno poderia ser uilizado para garanir a parida. Assim que é aingida a ensão de ignição, a impedância da lâmpada cai bruscamene, caracerizando o final da eapa ransiória de parida. Caso a freqüência de comuação diferir da freqüência de ressonância da carga, a solução da equação diferencial é dada por: V B ω s vc () = sen( ω ) ( ) r op sen ωs ( LC r ωs ) ω op A correne no induor pode ser expressa por: VB il = cos ω cos op ωs LC ω () ( ) ( ) r s r ( ) A freqüência de comuação deve ser maior que a freqüência de ressonância, caracerizando o fenômeno de baimeno. Quano menor for a diferença enre as freqüências, maiores serão os valores de ensão e de correne aingidos para um mesmo período de empo. Adoando-se a freqüência de comuação maior que a freqüência de ressonância, a correne i () se desenvolve arasada em relação à componene fundamenal da ensão vms (). L

60 39 O projeo do inversor esá associado à escolha dos componenes a parir de algumas considerações diane do número de variáveis livres no sisema, enre elas, as freqüências de ressonância e a de comuação. Para o projeo dos elemenos do circuio ressonane as seguines condições serão imposas durane o projeo do inversor: faor ρ. A freqüência de oscilação naural durane a parida ( f op ) será ponderada por um p Em regime permanene, para que a correne eseja arasada em relação a fundamenal de vms (), a freqüência de ressonância em regime permanene ( f or ) deve ser α vezes menor que a freqüência de comuação ( f s ). A ponderação pelo faor ρ, que é menor que a unidade, permie limiar a p máxima correne dos inerrupores e a ensão máxima aplicada ao circuio ressonane durane o ransiório de parida. Esa caracerísica faz com que no caso da ausência da lâmpada a correne seja nauralmene limiada, não levando o reaor a desruição. O faor α influencia o valor da disorção da correne aplicada à lâmpada: quano mais disane da unidade menor será o coneúdo harmônico da correne do circuio. Das considerações ciadas podem-se definir as relações como: f = ρ f (.58) op p s f or = α f (.59) Considerando que a impedância da lâmpada, anes de esabelecido o arco, seja muio maior que a do capacior aproximada por: Sendo assim, o capacior s C r, a freqüência de ressonância na parida, pode ser f op = π LC C r pode ser calculado por: Para o cálculo de C f e C f considera-se que: C r r = 4 π ρ f L (.6) C = C = C f f P p s

61 4 parida Com a uilização de capaciores C f s elevados, e os valores dos capaciores de C r s não muio elevados, evia-se desa forma que haja um aumeno de reaivos processados pelos inerrupores..7 Resulados de Simulação Para a comprovação prévia dos esudos realizados durane a análise maemáica é realizada a eapa de simulação, onde foram realizados alguns ajuses referenes aos valores calculados dos componenes de poência, de modo a alcançar o melhor arranjo possível. Os parâmeros para cálculos dos elemenos do circuio são: freqüência de comuação de 8 khz, ensão de pico de enrada igual a 3 V senoidal, rendimeno de 85%, α =,3 e freqüência de ressonância na parida de 5 khz. Conforme a meodologia apresenada chegou-se aos seguines valores para o proóipo do reaor: L in = L in C P = C P C r = nf C f = C f V B =4 V =7 mh =, nf =43 nf Com eses valores foi realizada a simulação. Para isso uilizou-se de uma ferramena compuacional, que nese caso é o simulador PSIM 6.. Ese simulador uiliza modelos ideais, o que não inerfere muio no resulado final, como poderá ser comprovado ao se comparar com os resulados experimenais. O circuio simulado é apresenado na Fig...

62 4 Fig.. Circuio simulado. A Fig..3 apresena a ensão e a correne de enrada da fone de alimenação. Aravés da simulação é possível verificar que a correne ende a ser senoidal com uma aparene TDH de valor baixo. Fig..3 Tensão e correne de enrada. A Fig..4 apresena a correne na lâmpada com sua envolória em baixa freqüência. Os valores de pico ficam em orno de 5mA. Aravés desa simulação pode-se

63 4 concluir que o valor do faor de crisa esará denro do limie, pois a ondulação em baixa frequencia é pouco significaiva, sendo o valor eficaz 67% do valor de pico. Fig..4 Correne na lâmpada com sua envolória em baixa freqüência. A Fig..5 apresena o dealhe da comuação em um dos inerrupores do inversor. A ensão máxima no inerrupor fica em orno de 5V e a correne máxima chega a A. Fig..5 Dealhe da comuação em um dos inerrupores.

64 43.8 Resulados Experimenais Para verificação em laboraório dos resulados obidos aravés da análise maemáica e simulação, foi monado um proóipo para alimenar uma lâmpada ipo PL- 6W. Ese proóipo foi projeado com circuio auo-oscilane para o comando dos inerrupores, conforme mosra a Fig..6. Para o projeo do circuio de comando auooscilane foi usado o rabalho de [5] que esá relacionado com ese ipo de comando. Os ransisores uilizados foram do ipo MOSFET da série IRF-83 e os induores de enrada uilizados foram consruídos com núcleo EE3/7 IP, fio 4AWG, 5 espiras, perfazendo 7 mh. Para lâmpadas com poência de 6 W as normas não exigem a correção do faor de poência. Porém, o inuio dese rabalho é demonsrar a viabilidade écnica da esruura, sendo que mesmo para baixas poências a esruura é aplicável, devido ao reduzido número de componenes. C P s L in () vg C f L s C f L in C P s Fig..6 - Circuio do proóipo monado. Os resulados experimenais são: P in =3,44 W P ou =5,98 W V B =46V η = 83 % TDH=3,7 % Faor de Poência=,99

65 44 Faor de Crisa=,595 A ensão e a correne de enrada, que ende a ser senoidal, são apresenadas na Fig..7. Pode-se verificar aravés desa aquisição que a correne de enrada alcança valores de pico em orno de ma. Fig..7 - Tensão e correne de enrada (=4ms; v=v/div; i=ma/div). O especro harmônico da correne de enrada, conforme os limies esabelecidos pela norma IEC 6-3- Classe C é apresenado na Fig..8. Pode-se noar que o reaor aende à norma esabelecida, com um valor de TDH basane baixo. Fig..8 - Especro harmônico da correne de enrada, conforme IEC 6-3- Classe C.

66 45 O faor de crisa da correne na lâmpada é de,595, o que esabelece uma boa condição em visa do limie esabelecido pela norma, que é de,7, conforme pode ser verificado na Fig..9. Fig..9 - Correne na lâmpada com faor de crisa igual a,595 (=ms; i=ma/div). A ensão, a correne e a poência da lâmpada são apresenadas na Fig.., onde se verifica que a poência fornecida fica um pouco abaixo da nominal, conforme apresenado por []. Fig.. - Tensão, correne e poência na lâmpada (=µs/div; v=5v/div; i=5ma/div; p=w/div).

67 46 O rendimeno obido com esa esruura foi relaivamene elevado em pare pela comuação suave na enrada em condução dos inerrupores, conforme a Fig... O rendimeno do reaor eleromagnéico para ese mesmo ipo de lâmpada é aproximadamene igual a 7%. Fig.. - Tensão e correne no inerrupor durane a comuação (=4µs/div; v= V/div; i=5ma/div). A Fig.. mosra o ransiório da ensão de barrameno durane a parida da lâmpada. Como a parida é insanânea, enquano o arco não é esabelecido, por um período basane pequeno, a ensão do barrameno se eleva um pouco acima do valor em regime. Logo após a parida da lâmpada ocorre a diminuição da impedância da lâmpada e a conseqüene queda da ensão de barrameno, conforme a Fig..3.

68 47 Fig.. - Tensão de barrameno durane a ignição (=ms/div; v=v/div). Fig..3 - Tensão de barrameno em regime (=ms/div; v=v/div). A parida da lâmpada é do ipo insanânea. Como a esruura possui comando auooscilane e é desprovida de circuios inegrados, orna-se complexa a aplicação de préaquecimeno programado, pois um dos focos principais desa esruura é a redução dos cusos de produção. A Fig..4 apresena a ensão na lâmpada no momeno da parida. Pode-se verificar que a parida a frio implica em alos valores máximos de ensão para que ocorra a parida da lâmpada.

69 48 Fig..4 - Tensão na lâmpada durane o processo de parida (=4ms/div; v=v/div). Também foram realizados ensaios na esfera de inegração (OL IS-39, fabricada pela Opronic Laboraories), onde foram obidas medições de fluxo luminoso na lâmpada PL-6W. Uilizou-se não somene o proóipo monado mas, ambém, para efeio de comparação, um reaor eleromagnéico comercial. Primeiramene, no reaor eleromagnéico, foi aplicada a ensão nominal da rede e, a parir dos valores obidos nesa primeira medição, foram realizadas diversas medições uilizando o proóipo operando em ala freqüência e com correção do faor de poência. Os resulados são apresenados na Tabela.. Tabela. - Dados coleados na esfera de inegração. COMERCIAL PROTÓTIPO V in (V) 7 4 P in (W) 9,5 7,8 5, 3,7 P Lamp (W),43 5,89 3, 6,96 Rendimeno (η),69,89,9,85 Fluxo Luminoso (lm) (lm/w) 57, 73,38 66,97 6,

70 49 Aravés dos dados apresenados na Tabela., pode-se verificar que o mesmo fluxo luminoso apresenado pelo reaor eleromagnéico comercial é obido pelo proóipo com uma poência basane inferior (alimenado em 7 V). Ouro pono basane ineressane é que, ao aplicar a poência nominal projeada (3 W) para a lâmpada com o proóipo do reaor elerônico, obém-se um maior rendimeno da esruura (alimenado em V). Nese caso foi uilizado um inerrupor MOSFET da série IRF-74, com resisência de condução menor. O fluxo luminoso para a poência nominal projeada (3 W) é 33% mais elevado que o reaor eleromagnéico comercial, comprovando a ese apresenada em []. Na úlima medição, pode se noar que com o aumeno da poência já não é mais ão significaivo o aumeno do fluxo luminoso, o que comprova a aplicação da poência de 3 W como a melhor opção, pois se obém o fluxo luminoso nominal da lâmpada (.548 lm)..9 Conclusão Uma nova opologia de reaor elerônico para lâmpadas fluorescenes foi apresenada. Aravés de conceios consagrados denro da área de projeos, e ambém uilizando-se novas écnicas de inegração, foi possível chegar a uma nova esruura, onde as boas caracerísicas das esruuras aneriores foram preservadas e novas caracerísicas foram incorporadas, ais como: simplicidade, redução de componenes e consequene redução de cusos e de amanho. A opologia proposa foi analisada e um proóipo foi implemenado para verificação das reais possibilidades da esruura. Foi consaado que o reaor, com comando auo-oscilane, apresena grandes possibilidades de inrodução no mercado de lâmpadas fluorescenes compacas com correção do faor de poência, pois obedece a odas as especificações da norma IEC 6-3- Classe C. Os objeivos do rabalho foram alcançados viso que foi possível a consrução de um reaor com o mínimo de componenes e consequene baixo cuso de produção, obedecendo as normas vigenes e conribuindo para a manuenção da qualidade de energia fornecida pela concessionária.

71 5 Capíulo 3 - Reaor CIC-CPPFC Para Duas Lâmpadas do Tipo T8-6W 3. Inrodução Nesa seção apresena-se o reaor para duas lâmpadas fluorescenes do ipo T8-6W. Esa nova opologia aparece como uma evolução da opologia apresenada no capíulo anerior, sendo que agora o foco principal nese capíulo é a operação com duas lâmpadas, baseado no conceio CIC-CPPFC Coninuous Inpu Curren Charge Pump Power Facor Correcion. Seguindo os mesmos criérios aplicados no capíulo anerior a ênfase foi dada na busca por esruuras com reduzido número de componenes e que apresenem resulados compaíveis com as normas vigenes, sendo ambém possível o seu aproveiameno na indúsria. Nese esudo serão apresenadas a evolução opológica, proveniene do capíulo anerior, o princípio de funcionameno, as eapas de operação, o equacionameno e os resulados experimenais alcançados com as devidas análises. 3. Topologia Proposa A opologia proposa nese capíulo é uma evolução da apresenada no capíulo anerior, onde foi possível inegrar diversas funções em alguns poucos elemenos de poência. Na opologia proposa no capíulo anerior e na esruura dese capíulo a principal e mais significaiva ausência é a do induor ballas, elemeno que aparece em série com a lâmpada e é responsável pelo processo de parida e limiação da correne na lâmpada.

72 5 C P s L in () vg C f C f L in C P s Fig. 3. Topologia proposa no capíulo anerior para uma lâmpada. Com base na esruura da Fig. 3., a enaiva de fornecer energia para duas lâmpadas em paralelo com esa mesma esruura não seria possível pois, no momeno em que uma das lâmpadas parisse, a sua ensão reduziria significaivamene, impedindo que a oura aingisse ensão suficiene para a parida e, mesmo que as duas lâmpadas parissem simulaneamene, a impedância das duas lâmpadas seria diferene e as correnes drenadas por elas eriam valores razoavelmene diferenes, provocando diferença significaiva de poência enre elas. Para resolver al problema, foi inroduzido um capacior em série com cada lâmpada, de modo a impedir que a ensão sobre a lâmpada que parisse depois não seja ão reduzida, e que a impedância mais significaiva seja a da própria capaciância inroduzida, levando a uma igualdade de poências enre as duas lâmpadas. Na Fig. 3. é apresenada a opologia proposa nese capíulo. Pode-se noar claramene que esa opologia apresena um número basane reduzido de componenes, o que ambém proporciona grande possibilidade de compacação, e significa baixos invesimenos na esruura mecânica de acoplameno do reaor na luminária. A parir da opologia proposa será realizada uma análise a fim de se ober as eapas de funcionameno e os equacionamenos maemáicos com a meodologia apresenada por [6], onde é possível ober os valores dos elemenos de poência, respeiando a condição de faor de poência uniário e as boas qualidades do CIC-CPPFC já apresenadas no capíulo anerior.

73 5 C P C r s L in vg () C d C d L in C P C r s Fig. 3. Topologia proposa para duas lâmpadas. 3.3 Princípio de Funcionameno O princípio de funcionameno da opologia apresenada nese capíulo é análogo ao apresenado no capíulo anerior. Sendo assim, o princípio de funcionameno do circuio é o mesmo para o semi-ciclo posiivo e negaivo da rede. Também em função da simeria do circuio, denro de um período de comuação em ala freqüência, apresena-se apenas meade das eapas de um período de comuação, denro do semi-ciclo posiivo da rede. Durane a descrição das eapas de funcionameno e da eapa de equacionameno, foram consideradas para a análise do circuio algumas simplificações: A ondulação da ensão V B (ensão sobre C B ) será desprezada; A ensão nos erminais da fone de enrada v ( ) durane um período de comuação; g será considerada consane A correne de enrada será considerada consane em odo período de comuação; As correnes dos circuios ressonanes serão consideradas fones de correnes igualmene ideais; Todos os componenes serão considerados ideais. Ressala-se novamene que nesa nova opologia o induor normalmene colocado em série com a lâmpada (induor ballas) não esá sendo uilizado devido à possibilidade

74 53 dos induores de enrada L in e L in poderem assumir várias finalidades: filragem da correne de enrada, limiar a correne da lâmpada e auar no processo de ignição da lâmpada. 3.4 Eapas de operação ª Eapa ( ~ ): Na eapa que anecedeu esa, a correne na carga esava no senido oposo, provocando a passagem de correne pelo diodo D T. A a eapa inicia exaamene quando a correne na carga invere de senido e passa a circular pelo inerrupor T. A ensão sobre os capaciores C P e C P é igual a ensão de barrameno, o que coloca os diodos D e D 4 em condução. Esa eapa ermina quando a correne que circula por C B e in L chega a zero e invere de senido e o capacior C P é descarregado, levando o diodo D 4 ao bloqueio naural. C P C r s L in vg () C d i Lamp C d L in C P C r s Fig ª Eapa de operação. ª Eapa ( ~ ): Em, a correne de carga coninua no mesmo senido e circulando por T, mas o senido da correne que circulava pelo capacior C B e in L invere de senido e passa agora a circular não mais por D 4 e sim por C P. O diodo D ambém

75 54 esá conduzindo a mesma correne que o induor de enrada L in, sendo a correne de carga a soma das correnes provenienes dos induores L in e L in. A parir dese insane, começa a ocorrer a variação de carga de C P, reduzindo a ensão em seus erminais. A ensão sobre L in e L in varia de acordo com a ensão do capacior C P, fazendo com que eses elemenos enrem em ressonância. Esa eapa ermina quando o inerrupor T é comandado a bloquear. C P C r s L in vg () C d i Lamp C d L in C P C r s Fig ª Eapa de operação. 3ª Eapa ( ~ 3 ): Em, o inerrupor T é comandado a bloquear e, como as correnes de carga não podem variar insananeamene, o diodo D T passa a conduzir a correne de carga. O diodo D coninua conduzindo a mesma correne que o induor de enrada L in, sendo a correne de carga ainda a soma das correnes provenienes dos induores L in e L in senido.. A correne de carga coninua no mesmo senido da eapa anerior. Esa eapa ermina quando a correne no induor L in chega a zero e invere de

76 55 C P C r s L in vg () C d i Lamp C d L in C P C r s Fig ª Eapa de operação. 4ª Eapa ( 3 ~ 4 ): Esa eapa inicia quando a correne em L in chega a zero e invere de senido e inicia o processo de carga do capacior C P. As demais correnes permanecem no mesmo senido quando comparadas com a eapa anerior, inclusive a correne de carga. Durane esa eapa o inerrupor T é comandado a conduzir, caracerizando a comuação ZVS. Esa eapa ermina quando a correne de carga chega a zero e invere de senido. C P C r s L in vg () C d i Lamp C d L in C P C r s Fig ª Eapa de operação. 5ª Eapa ( 4 ~ 5 ): Em 4, a correne de carga chega a zero e invere de senido quando comparada com a eapa anerior, sendo conduzida nesa eapa pelo inerrupor T, que foi colocado em condução na eapa aneiror. Nesa eapa ocorre circulação de correne pelos diodos D e D 4.

77 56 Esa eapa ermina quando a correne no capacior C B e no induor in L chega a zero, e o capacior C P inicia o processo de descarga, e leva o diodo D ao bloqueio naural. C P C r s L in vg () C d i Lamp C d L in C P C r s Fig ª Eapa de operação. 6ª Eapa ( 5 ~ 6 ): Esa eapa se inicia quando a correne que circula por L in e C B invere de senido e passa a circular ambém pelo capacior C P, iniciando o processo de descarga. A correne de carga coninua no mesmo senido da eapa anerior. A parir dese insane, começa a ocorrer a variação de carga de C P, reduzindo a ensão em seus erminais. A ensão sobre L in e L in varia de acordo com a ensão do capacior C P, fazendo com que eses elemenos enrem em ressonância. Esa eapa ermina quando o inerrupor T é comandado a bloquear.

78 57 C P C r s L in vg () C d i Lamp C d L in C P C r s Fig ª Eapa de operação. 7ª Eapa ( 6 ~ 7 ): Em 6, como a correne de carga não pode variar insananeamene, o diodo D T passa a conduzir a correne de carga. O processo de descarga do capacior C P, iniciado na eapa anerior, coninua. A correne de carga permanece no mesmo senido da eapa anerior. senido. Esa eapa ermina quando a correne no induor L in chega a zero e invere de C P C r s L in vg () C d i Lamp C d L in C P C r s Fig ª Eapa de operação. 8ª Eapa ( 7 ~ 8 ): Esa eapa inicia quando a correne em L in chega a zero e invere de senido, e inicia o processo de recarga do capacior C P. As demais correnes permanecem no mesmo senido, quando comparadas com a eapa anerior, inclusive a

79 58 correne de carga. Durane esa eapa o inerrupor T é comandado a conduzir, caracerizando a comuação ZVS. Esa eapa ermina quando a correne de carga chega a zero e invere de senido. C P C r s L in vg () C d i Lamp C d L in C P C r s Fig ª Eapa de operação. A parir diso inicia-se um novo ciclo de operação.

80 Formas de Onda T T i Lamp i Lin i Lin i CP i CP v Lin v CP v ms Fig. 3. Formas de onda do reaor para duas lâmpadas. 3.6 Análise Maemáica A análise maemáica para ese reaor é baseada na análise proposa no capíulo anerior, onde foi realizada uma análise aravés da observação das eapas de operação.

81 6 Aravés desa análise será possível efeuar o dimensionameno dos principais elemenos de poência do circuio. Como o circuio é simérico, não há a necessidade de analisar odas as eapas de operação. Sendo assim, serão analisadas somene as eapas enre os empos e 5. Nese inervalo de empo, ocorre a variação de carga no capacior C P, permiindo que as equações definidas nesas eapas deerminem os valores dos capaciores C P e C P e dos induores L in e L in. Como a variação de carga do capacior C P é idênica à variação de C P, não há necessidade de se repeir a análise para o inervalo de empo onde ocorre esa variação. Porano as equações que deerminam C P são as mesmas que definem C P, e as que deerminam L in são as mesmas que definem L in Consideracões v () = V sin( ω ) (3.) g P i () = I sin( ω + θ ) (3.) Lamp P Lamp s dilin () vlin () = Lin d (3.3) dilin() vlin() = Lin d (3.4) dvcp () icp () = CP d (3.5) dvcp() icp() = CP d (3.6) 3.6. Condições iniciais i () = I sin( θ ) (3.7) Lamp P Lamp i () CP = (3.8) i () CP = (3.9) v v CP CP () = VB (3.) () = VB (3.)

82 Inervalo de a 4 Nese inervalo a ensão sobre o capacior C P é: v () = v () v () v () (3.) CP g Lin Lin Subsiuindo as equações (3.3) e (3.4) em (3.) em-se: dilin () dilin() vcp () = vg () L in Lin d d (3.3) Derivando-se a equação (3.3) em-se: dv () CP Lin() Lin() = Lin d i L d i in d d d Aplicando-se a primeira Lei de Kirchhoff em-se: Lin CP Lamp Derivando-se a equação (3.5) em-se: Sabendo-se que: E que: (3.4) i () = i () + i () (3.5) dicp () dilin () = ωs IP Lamp cos( ωs + θ) (3.6) d d i () = i () (3.7) Lin CP Fazendo as devidas subsiuições obém-se: dilin() dicp () = (3.8) d d dilin () ilin () + CP ( Lin + Lin) = ( C P Lin ωs ) IP Lamp sin( ωs + θ) (3.9) d Aplicando as seguines simplificações: L + L = L (3.) in in Obém-se: C = C = C (3.) P P dil() C L il() + C L = ( ω ) sin( ) s IP Lamp ωs + θ (3.) d Fazendo: I C = L (3.3) Lamp ( ωs ) IP Lamp

83 6 Tem-se a equação diferencial de segunda ordem, na forma represenaiva da correne nas induâncias de enrada: dil() il() + C L = I sin( ) Lamp ωs + θ (3.4) d Resolvendo a equação diferencial (3.4), enconra-se a função para a correne nas induâncias de enrada: vg() V B il( ) = ILamp sin( θ) cos( ω ) + sin( ω ) + K Z Onde: (3.5) ω = C L, C = Z ω, Z L = e C ω ω s K = I sin( ) sin( ) cos( Lamp ωs + θ θ ω ) cos( θ) sin( ω ) (3.6) ω ωs ω Inervalo de 4 a 5 Nese inervalo em-se: dil () vg() + L + VB d = (3.7) A parir da equação (3.3) chega-se a: v () V di d L il ( 5) g B 5 () L ( 4) L = i 4 (3.8) E a seguine expressão: vg() VB il() = ( 4) + il( 4) (3.9) L Cálculo da correne média no induor soluções: 3 I = i () d + i () d (3.3) Lmed L L T r Tr Para < < 5 em-se as seguines considerações, inegrais e suas respecivas

84 63 dada por: α ω ω =,, s d = φ φ d ω = ω e ω s Ts = π T E aproximando s T 4 =, s P 5 = e il( 4) = IP =. 3 V A correne média nas induâncias de enrada, durane o periodo de comuação é v g() V B α ILmed = I cos( ) Lamp θ [ cos( απ )] + I cos( ) Lamp θ+ π α Z π α π α (3.3) I sin( ) sin( ) vg() V Lamp θ α π α B Ts P π α α L 7 3 V Fazendo θ = em-se: P P Ts cos( α π) I Lmed = vg () + + K 7 L π α Z (3.3) Ts cos( α π) α P K = VB + + I Lamp + I Lamp [ cos( α π) ] 7 L π α Z π α + π α 3 V P O faor de poência é uniário quando K =, logo: Ts cos( α π) α P = VB + + I Lamp + I Lamp [ cos( α π) ] 7 L π α Z π α + π α 3 V Trabalhando-se a equação em-se que: ( ) π α + cos( απ ) P ILamp = VB + I Lamp [ cos( α π) ] α 7 L fs π α Z 3 V P π α E P V B α P I Lamp + I Lamp [ cos( α π) ] π α π α + 3 V = Ts cos( α π) + 7 L π α Z P (3.33) Meodologia de Projeo p () = v () i () in g g

85 64 ( ) ilamp ilamp ig () = ilin () + = ilin() i g () ( ) ( ) ( ) ilamp ilamp ilin () + + ilin() = ( ) = ( ) = ( ) i i i Lin Lin L g ( ) = ( ) i i p () = v () i () L in g L A poência média de enrada e obida da seguine maneira: Pin = vg () il() d (3.34) Logo: Ts cos( α π ) Pin = vg () + 7 L π α Z (3.35) Cálculo de C P C = η VP fs 7 L fs cos( α π) C = C = C P P (3.36) Cálculo de L η V cos( α π) L = + P 8 P f s π α 8 (3.37) L + L = L L in in L = L = in in Cálculo dos Elemenos do Circuio Ressonane A Fig. 3. mosra o circuio equivalene para o anque ressonane e a ensão enre os erminais m e s. O projeo do circuio ressonane é realizado para valores

86 65 próximos da ensão de barrameno, sendo a ensão v ms de pico a pico igual à ensão de barrameno CC. s vms () L in C d ilamp ( ) + C R V r o m - vms ( ) V B Fig Circuio ressonane equivalene e ensão aplicada. Uilizando equações para divisão de ensão, obém-se a equação de ganho para o circuio equivalene, que é dada por: V V o ms = X X X X X X R R Cd Lin Lin Cd + + j Cr Cr (3.38) Durane o ransiório de parida, a lâmpada é considerada como sendo uma impedância infinia, sendo represenada pela equação: d VB sen( ωs ) = Lin Cr v C () + v () r C (3.39) r d A solução desa equação diferencial depende da relação enre a freqüência de comuação e a freqüência de ressonância da rede LC da carga. A freqüência de ressonância da carga LC é dada pela seguine equação: f op = = π L C C C π L in eq d r in Cd + Cr (3.4) Para uma freqüência de comuação igual à freqüência de ressonância, a solução da equação diferencial para condições iniciais nulas é dada por:

87 66 V VB ω B op VC = sen( ω ) cos( ) r op ωop A correne no induor L in é descria maemaicamene por: il () = C ( ) in r VB ωop sen ωop Tano a ensão como a correne endem ao infinio com o passar do empo. Como a lâmpada fluorescene possui uma ensão de ignição elevada, definida pela sua geomeria, poência e pressão, ese comporameno poderia ser uilizado para garanir a parida. Assim que é aingida a ensão de ignição, a impedância da lâmpada cai bruscamene, caracerizando o final da eapa ransiória. Caso a freqüência de comuação diferir da freqüência de ressonância, a solução da equação diferencial é dada por: V B ω s vc () = sen( ω ) ( ) r op sen ωs ( Lin Cr ωs ) ω op A correne no induor pode ser expressa por: VB il = cos ω cos in op ωs L C ω ( ) () ( ) ( ) in r s A freqüência de comuação deve ser maior que a freqüência de ressonância, caracerizando o fenômeno de baimeno. Quano menor for a diferença enre as freqüências, maiores serão os valores de ensão e de correne aingidos para um mesmo período de empo. Adoando-se a freqüência de comuação como sendo maior que a freqüência de ressonância, a correne il in ( ) componene fundamenal da ensão vms ( ). se desenvolve arasada em relação à O projeo do inversor esá associado à escolha dos componenes a parir de algumas considerações diane do número de variáveis livres no sisema, enre elas, as freqüências de ressonância e a de comuação. Para o projeo dos elemenos do circuio ressonane as seguines condições serão imposas durane o projeo do inversor: A freqüência de oscilação naural durane a parida ( f op ) será ponderada por um faor ρ. p

88 67 Em regime permanene, para que a correne eseja arasada em relação a fundamenal de vms (), a freqüência de ressonância em regime permanene ( f or ) deve ser α vezes menor que a freqüência de comuação ( f s ). A ponderação pelo faor ρ, que é menor que a unidade, permie limiar a p máxima correne dos inerrupores e a ensão máxima aplicada ao circuio ressonane durane o ransiório de parida. Esa caracerísica faz com que no caso da ausência da lâmpada a correne seja nauralmene limiada não levando o reaor a desruição. O faor α influencia o valor da disorção da correne aplicada à lâmpada: quano mais disane da unidade menor será o coneúdo harmônico da correne do circuio. Das considerações ciadas podem-se definir as relações como: f = ρ f (3.4) op p s f or = α f (3.4) Considerando que a impedância da lâmpada, quando esabelecido o arco, seja muio menor que a do capacior aproximada por: s C r, a freqüência de ressonância na parida, pode ser f or = π L C in d Sendo assim, o capacior C d pode ser calculado por: C = L (3.43) d 4 π α fs C = C d d Para que a impedância do conjuno lâmpada e capacior C r, seja razoavelmene menor que a impedância do capacior C d, faz-se: C = C r d C = C d d in

89 Resulados de Simulação Para comprovação dos resulados obidos na análise maemáica é realizada a simulação do circuio, de modo a ober um projeo oimizado, para que a eapa de implemenação seja menos rabalhosa, endo em visa que os reaores do ipo Chargepump nem sempre em uma resposa muio similar ao projeado, em virude da grande dificuldade do equacionameno. Os parâmeros para o cálculo dos elemenos do circuio são: freqüência de comuação de 5kHz, ensão de pico de enrada igual a 3V senoidal, rendimeno de 85%, α =,3 e freqüência de ressonância na parida de 45 khz. Conforme a meodologia apresenada chegou-se aos seguines valores para o proóipo do reaor: L in = L in C P = C P C r= C r C d = C d V B =5 V =4,5 mh =, nf = nf =6, nf Com os valores obidos, foi realizada a simulação. Para isso se uiliza novamene o simulador PSIM 6.. Conforme ciado aneriormene, ese simulador uiliza modelos ideais, o que não inerfere muio no resulado final, como poderá ser comprovado nese projeo, ao se comparar com os resulados experimenais. O circuio simulado é apresenado na Fig. 3.3.

90 69 Fig. 3.3 Circuio simulado. A Fig. 3.4 apresena a ensão e a correne de enrada da fone de alimenação. Aravés desa simulação é possível verificar que a TDH será baixa, apesar de esar concenrada em faixas alas de freqüência. Fig. 3.4 Tensão e correne de enrada. A Fig. 3.5 apresena a correne em uma das lâmpadas com sua envolória em baixa freqüência, os valores de pico ficam em orno de 3mA e pode se concluir aravés

91 7 da pouca ondulação em baixa freqüência que o valor do faor de crisa esará denro do limie. Fig. 3.5 Correne na lâmpada com sua envolória em baixa freqüência. A Fig. 3.6 apresena o dealhe da comuação em um dos inerrupores do inversor. A ensão máxima no inerrupor fica em orno de 45V e a correne máxima chega a A. Fig. 3.6 Dealhe da comuação em um dos inerrupores.

92 7 3.8 Resulados Experimenais Para verificação experimenal dos resulados obidos aravés da meodologia, análise maemáica e simulação compuacional, foi desenvolvido e implemenado um proóipo para alimenar duas lâmpadas do ipo T8-6W. A écnica de correção do faor de poência apresenada nese capíulo foi aplicada em um proóipo que uiliza um circuio com freqüência fixa para o comando dos inerrupores, onde aravés do CI IR-53 são gerados os pulsos de comando dos inerrupores no eságio inversor de saída. Os ransisores uilizados foram do ipo MOSFET da série IRF-84. Os induores de enrada uilizados foram consruídos com núcleo EE3/4 IP, 3AWG, espiras, resulando em 4,5 mh. s C P C r R L in vg ( ) C d C b C d 5 3 L in R g V b H o V s IR 53 V cc R R FS R g Lo Com C d 4 C P C r s Fig. 3.7 Circuio do reaor para duas lâmpadas T8-6W com freqüência fixa. Os resulados experimenais são: P in =38,9 W P ou =3,4 W (considerando a soma das lâmpadas) V B =5V η = 8 % TDH= % Faor de Poência=,986 Faor de Crisa=,678

93 7 A ensão e a correne de enrada, são apresenadas na Fig Pela aquisição é possível verificar que a correne de enrada possui seu valor eficaz em orno de 8mA e alcança valor de pico em orno de 4mA. Fig Tensão e correne de enrada (=4ms; v:=v/div; i=ma/div). O especro harmônico da correne de enrada, conforme os limies esabelecidos pela norma IEC 6-3- Classe C, é apresenado na Fig Pode se noar que o reaor aende à norma esabelecida. Fig Especro harmônico da correne de enrada, conforme IEC 6-3- Classe C.

94 73 O faor de crisa na lâmpada é de,678, obedecendo o limie da norma, que é de,7, conforme pode ser verificado na Fig. 3.. Fig Correne na lâmpada com faor de crisa igual a,678 (=4ms; i=ma/div). A ensão, a correne e a poência da lâmpada são apresenadas na Fig. 3.. Fig Tensão, correne e poência na lâmpada (=4μs; v=v/div; i=ma/div; p=w/div). O rendimeno obido com esa esruura foi de cerca de 8%, em pare pela comuação suave na enrada em condução dos inerrupores, conforme a Fig. 3.. O

95 74 rendimeno do reaor eleromagnéico para ese mesmo ipo de lâmpada é aproximadamene igual a 7%. Mas ese valor de rendimeno ainda não é muio araene, em virude do alo valor da correne nos inerrupores. A parida da lâmpada é do ipo rápida. Como a esruura foi implemenada uilizando freqüência fixa no eságio inversor, e ambém foi uilizado o circuio inegrado IR-53, foi possível ober parida rápida para ese reaor, ressalando que esa caracerísica é basane imporane do pono de visa da conservação e manuenção da vida úil da lâmpada. Fig Tensão e correne no inerrupor durane a comuação (=4µs/div; v=v/div; i=5ma/div). A Fig. 3.3 mosra a ensão de barrameno durane o ransiório de parida das lâmpadas. Enquano o arco não é esabelecido, a ensão do barrameno fica consane e aproximadamene igual a 55 V, ese valor de ensão de barrameno ambém não é araene. Logo após a parida da segunda lâmpada ocorre a diminuição da impedância da lâmpada e a conseqüene queda da ensão de barrameno, conforme a Fig Esa ensão de barrameno elevada ocasiona uma redução de rendimeno, o que pode ser conornado uilizando um inerrupor MOSFET da série IRFB6N6L, que possui resisência de condução reduzida de,46 Ω e ensão dreno-source de 6 V.

96 75 Fig Tensão de barrameno na parida (=ms/div; v=v/div). Fig Tensão de barrameno em regime (=ms/div; v=v/div). Na Fig. 3.5 são apresenadas as ensões nas lâmpadas durane o processo de parida. Pode-se noar claramene o momeno em que a primeira lâmpada pare, pois a ensão sobre ela cai bruscamene, mas a ensão sobre a segunda lâmpada ainda é suficiene para a parida e, com isso, consegue parir ambém. Já em regime as duas lâmpadas aingem quase que o mesmo valor de ensão.

97 76 Fig. 3.5 Tensão nas duas lâmpadas durane o processo de parida (=4ms/div; v=v/div). Por fim, na Fig. 3.6 são apresenadas as formas de onda da ensão e da correne nas duas lâmpadas com os respecivos valores de poência. Deve-se considerar que para obenção da equalização de poências enre as lâmpadas foi necessário medir as capaciâncias C d e C d, uilizando um par com a mínima diferença, esa diferença pode provocar um desbalanço de poência enre as duas lâmpadas, sendo esa caracerísica não muio desejável. Fig. 3.6 Tensão e correne nas duas lâmpadas (=µs/div; v=v/div; i=a/div).

98 Conclusão Foi apresenada, nese capíulo, uma solução para o reaor com duas lâmpadas fluorescenes ubulares do ipo T8-6W. A esruura é basane ineressane do pono de visa econômico, pois coném o mesmo número de componenes que a esruura apresenada no capíulo anerior. Mesmo com algumas pequenas imperfeições, como a ensão de barrameno elevada e a grande dependência das capaciâncias em série no balanço de poência, a opologia foi proposa, analisada e esada com a confecção de um proóipo. A opologia uilizou conceios imporanes denro da área de projeos de reaores elerônicos e ambém foi possível a descobera de novas possibilidades de arranjo dos componenes passivos para fornecer energia não apenas para uma única lâmpada, mas ambém para duas lâmpadas. A esruura foi esada aravés de um proóipo com freqüência fixa de comando dos inerrupores do eságio do inversor de saída. Foi verificado que a esruura obedece aos criérios imposos pelas normas nacionais e inernacionais, sendo assim uma óima opção para fuuros esudos em aplicações comerciais.

99 78 Capíulo 4 - Reaor CIC-CPPFC Para Duas Lâmpadas do Tipo T8-3W 4. Inrodução Nese capíulo será apresenado o reaor para duas lâmpadas fluorescenes do ipo T8-3W. Esa opologia é uma evolução da opologia apresenada no capíulo, sendo que o foco principal nese capíulo é o mesmo do capíulo 3, que consise na operação com duas lâmpadas. Na esruura dese capíulo o induor ballas não é reirado e, em comparação ao reaor apresenado no capíulo 3, é reirado nesa esruura o capacior Também é realizado o acoplameno dos induores de enrada. A opologia apresenada nesa seção é baseada no conceio CIC-CPPFC Coninuous Inpu Curren Charge Pump Power Facor Correcion. Seguindo os mesmos criérios aplicados nos capíulos aneriores, a ênfase desa esruura ambém foi dada na busca por esruuras com reduzido número de componenes e que apresenem resulados compaíveis com as normas vigenes, sendo ambém possível o seu aproveiameno na indúsria. No esudo desa nova esruura para operação com duas lâmpadas, serão apresenadas a evolução opológica, proveniene dos capíulos aneriores, o princípio de funcionameno, e as eapas de operação, sendo ese desenvolvimeno praicamene análogo aos capíulos aneriores. O equacionameno e os resulados experimenais alcançados com as devidas análises são apresenados como forma de comprovação da meodologia. C d. 4. Topologia Proposa O objeivo principal dese esudo é razer uma nova solução para um reaor que fornece energia para duas lâmpadas. No capíulo anerior o problema do paralelismo enre as duas lâmpadas foi resolvido aravés da inserção de um capacior em série com cada uma

100 79 das lâmpadas. Porém, aquela esruura não garane uma poência igual para cada uma das lâmpadas, em função da ala dependência dos valores das capaciância em série com a lâmpada. Agora, pare-se da esruura apresenada no capíulo (Fig. 4.), aonde inha sido reirado o induor ballas e a sua função foi ransferida para os induores de enrada. Nese caso, para resolver o problema do paralelismo enre as duas lâmpadas vola-se a incluir o induor ballas em série com cada lâmpada e a reirar o capacior C d, que esava em série com a carga na solução anerior. Ainda visando a diminuição de componenes passivos, acopla-se os dois induores de enrada em um único núcleo. C P s L in ( ) vg C f C f L in C P s Fig. 4. Esruura proposa no capíulo. Na Fig. 4. é apresenada a opologia proposa nese capíulo. Pode-se noar claramene que esa opologia ambém apresena um número basane reduzido de componenes, apesar de er sido incluído dois novos componenes. Mas, os dois induores de enrada, da esruura base, agora se usam um único núcleo, diminuindo o espaço e o cuso em relação ao uso de dois componenes. O reaor proporciona grande possibilidade de compacação, o que ambém significa, como nas esruuras apresenadas aneriormene, baixos invesimenos na esruura mecânica de acoplameno do reaor na luminária. A parir da opologia proposa, será realizada uma análise a fim de se ober as eapas de funcionameno e os equacionamenos maemáicos. Os equacionamenos maemáicos, junamene com a meodologia já apresenada nos capíulos aneriores, serão de exrema imporância para se ober os valores dos

101 8 elemenos de poência, respeiando a condição de faor de poência uniário e manendo as boas qualidades do CIC-CPPFC já apresenadas nos capíulos aneriores. vg ( ) s C f L in D D 3 C P L r L r C r Lamp T m D T C B s C f Lamp T D T L in D D 4 C P C r Fig. 4. Esruura proposa para duas lâmpadas. 4.3 Princípio de Funcionameno O princípio de funcionameno desa opologia é análogo às opologias apresenadas nos capíulos aneriores. Sendo assim, o princípio de funcionameno do circuio é o mesmo para os semi-ciclos posiivo e negaivo da rede. Também, em função da simeria do circuio denro de um período de comuação em ala freqüência, apresena-se apenas meade das eapas de um período de comuação denro do semi-ciclo posiivo da rede. Durane a descrição das eapas de funcionameno e da eapa de equacionameno, algumas simplificações foram consideradas para a análise do circuio: A ondulação da ensão V B (ensão sobre C B ) será desprezada; A ensão nos erminais da fone de enrada v ( ) durane um período de comuação; g será considerada consane A correne de enrada será considerada consane em odo período de comuação (condução conínua); As correnes dos circuios ressonanes serão consideradas fones de correnes igualmene ideais; Todos os componenes serão considerados ideais.

102 8 Nesa opologia o induor ballas é recolocado em série com a lâmpada, incorporando novamene as funções de limiação da correne em regime permanene e paricipando no processo de parida. Sendo assim, os induores de enrada L in e L in ocupam apenas as funções de filro de enrada e induor Charge-pump. 4.4 Eapas de operação ª Eapa ( ~ ): Na eapa anerior a correne na carga evoluía no senido oposo, provocando a passagem de correne pelo diodo D T. A a eapa inicia exaamene quando a correne na carga invere de senido e passa a circular pelo inerrupor T. A ensão sobre os capaciores C P e C P é igual à ensão de barrameno, o que coloca os diodos D e D 4 em condução. Esa eapa ermina quando a correne que circula por C B e in L chega a zero e invere de senido, levando o diodo D 4 ao bloqueio naural. Também, é iniciado o processo de descarga do capacior C P. vg () s C f L in D D 3 C P L r L r C r Lamp T i Lamp m D T C B C f Lamp T D T s L in D D 4 C P C r Fig ª Eapa de operação. ª Eapa ( ~ ): A correne de carga nesa eapa coninua no mesmo senido e circulando por T, mas a correne que circulava pelo capacior C B e in L invere de senido

103 8 e passa agora a circular não mais por D 4 e sim por C P. O diodo D coninua conduzindo a mesma correne que o induor de enrada L in, sendo a correne de carga a soma das correnes provenienes dos induores L in e L in. A parir dese insane, começa a ocorrer a variação de carga de C P, reduzindo a ensão em seus erminais. A ensão sobre L in e L in varia de acordo com a ensão do capacior C P, fazendo com que eses elemenos enrem em ressonância. Esa eapa ermina quando o inerrupor T é comandado a bloquear e inerrompe a circulação de correne pelo mesmo. vg () Fig ª Eapa de operação. 3ª Eapa ( ~ 3 ): Em, o inerrupor T é comandado a bloquear e, como as correnes de carga não podem variar insananeamene, o diodo D T passa a conduzir a correne de carga, junamene com o capacior de barrameno C B. Nesa eapa o diodo D coninua conduzindo a mesma correne que o induor de enrada L in, sendo a correne de carga ainda a soma das correnes provenienes dos induores L in e L in carga preserva o mesmo senido da eapa anerior.. A correne de Durane esa eapa o inerrupor T é comandado a conduzir, caracerizando a comuação ZVS. senido. Esa eapa ermina quando a correne no induor L in chega a zero e invere de

104 83 vg () Fig ª Eapa de operação. 4ª Eapa ( 3 ~ 4 ): Esa eapa inicia quando a correne em L in chega a zero e invere de senido. Com isso inicia-se o processo de carga do capacior C P aravés da correne que circula por L in. As demais correnes permanecem no mesmo senido quando comparadas com a eapa anerior, inclusive a correne de carga. Esa eapa ermina quando a correne de carga chega a zero e invere de senido. C P C r L in vg ( ) C f i Lamp C f L in C P C r Fig ª Eapa de operação. 5ª Eapa ( 4 ~ 5 ): Em 4 a correne de carga chega a zero e invere de senido, sendo conduzida nesa eapa pelo inerrupor T que foi colocado em condução na eapa aneiror. Nesa eapa ocorre circulação de correne pelos diodos D e D 4.

105 84 Esa eapa ermina quando a correne no capacior C B e no induor in L chega a zero, e o capacior C P inicia o processo de descarga, o que leva o diodo D ao bloqueio naural. C P C r L in vg ( ) C f i Lamp C f L in C P C r Fig ª Eapa de operação. 6ª Eapa ( 5 ~ 6 ): Esa eapa se inicia quando a correne que circula por L in e C B invere de senido e passa a circular ambém pelo capacior C P, iniciando o processo de descarga. A correne de carga coninua no mesmo senido da eapa anerior. A parir dese insane, começa a ocorrer a variação de carga de C P, reduzindo a ensão em seus erminais. A ensão sobre L in e L in varia de acordo com a ensão do capacior C P, fazendo com que eses elemenos enrem em ressonância. Esa eapa ermina quando o inerrupor T é comandado a bloquear. s L in D D 3 C P C r T D T vg ( ) C f L r L r Lamp i Lamp m C B C f Lamp T D T s L in D D 4 C P C r Fig ª Eapa de operação.

106 85 7ª Eapa ( 6 ~ 7 ): Em 6, como a correne de carga não pode variar insananeamene, o diodo D T passa a conduzir a correne de carga. Coninua o processo de descarga do capacior C P, iniciado na eapa anerior. A correne de carga permanece no mesmo senido da eapa anerior. Durane esa eapa o inerrupor T é comandado a conduzir, caracerizando a comuação ZVS. senido. Esa eapa ermina quando a correne no induor L in chega a zero e invere de vg ( ) Fig ª Eapa de operação. 8ª Eapa ( 7 ~ 8 ): Em 7, esa eapa inicia quando a correne em L in chega a zero e invere de senido, e inicia o processo de recarga do capacior C P. As demais correnes permanecem no mesmo senido quando comparadas com a eapa anerior, inclusive a correne de carga. Esa eapa ermina quando a correne de carga chega a zero e invere de senido.

107 86 L in D D 3 C P C r T D T s vg ( ) C f L r L r Lamp i Lamp m C B C f Lamp T D T s L in D D 4 C P C r Fig ª Eapa de operação.

108 Formas de Onda T T i Lamp i Lin i Lin i CP i CP v Lin v CP v ms Fig. 4. Formas de onda da esruura proposa. 4.6 Análise Maemáica A análise maemáica foi realizada aravés da observação das eapas de operação do reaor, a parir do qual se podem ober as equações que melhor represenam o seu

109 88 funcionameno. Esas equações propiciam a deerminação dos principais parâmeros do reaor. Em função da simeria do circuio, não há a necessidade de se analisar odas as eapas de operação, sendo que algumas das eapas são repeiivas para al finalidade, não afeando os resulados dos valores a serem calculados. Para esa análise maemáica serão uilizadas as eapas compreendidas enre os insanes e 4. Nese inervalo de empo ocorre a variação de carga do capacior C P, permiindo que as equações definidas nesas eapas deerminem os valores dos capaciores C P e P C e dos induores L in e L in. Como a variação de carga do capacior C P é idênica à variação de C P, não há a necessidade de se repeir a análise para o inervalo de empo onde ocorre esa variação. Porano, as equações que deerminam C P são as mesmas que definem C P, e as que deerminam L in são as mesmas que definem L in Consideracões v () = V sin( ω ) (4.) g P i () = I sin( ω + θ ) (4.) Lamp P Lamp s dilin () vlin () = Lin d (4.3) dilin() vlin() = Lin d (4.4) dvcp () icp () = CP d (4.5) dvcp() icp() = CP d (4.6) 4.6. Condições iniciais i () = I sin( θ ) (4.7) Lamp P Lamp i () CP = (4.8) i () CP = (4.9) v CP () = VB (4.)

110 89 v CP () = VB (4.) Inervalo de a 4 Nese inervalo a ensão sobre o capacior C P é: v () = v () v () v () CP g Lin Lin Em função do acoplameno enre as induância de enrada, em-se: Lin Lin (4.) v () = v () (4.3) Subsiuindo a equação anerior na equação da ensão no capacior C P, em-se: dilin vcp () = vg () Lin d ( ) Derivando-se a equação da ensão no capacior C P, em-se: ( ) (4.4) dvcp () dilin = Lin (4.5) d d Aplicando-se a primeira Lei de Kirchhoff, em-se: i () = i () + i () Lin CP Lamp Lin CP Lamp (4.6) i () i () = i () (4.7) dvcp () ilin () CP = ilamp () (4.8) d Subsiuindo a equação (4.5) em (4.7), em-se: dicp () ilin () + Lin CP = I sin( ) P Lamp ωs + θ (4.9) d Resolvendo a equação diferencial de segunda ordem acima, é possível ober uma expressão para a correne na induância de enrada: vg() V B ilin ( ) = IPLamp sin( θ) cos( ω ) + sin( ω ) + K Z Onde: (4.) ω ω s K = I sin( ) sin( ) cos( PLamp ωs + θ θ ω ) cos( θ) sin( ω ) (4.) ω ωs ω ω = = = in, CP e Z CP L Z in ω CP L (4.)

111 9 I Aplicando-se algumas considerações: ω θ dθ α = ; =, d = e ωs Ts = π (4.3) ω ω ω s s s E supondo os seguines valores para os inervalos de empo uilizados: T s = e 4 = (4.4) 3 A expressão para a correne média na induância de enrada é dada por: Linmed π v () sin( ) sin( ) PLamp g V I θ α B π 3 α = cos( α ) + + π α Z 3 π α α (4.5) π + I cos( ) cos( ) PLamp θ α α π α 3 Para θ =, em-se: π cos( α ) I () 3 Linmed = vg + K π α Z π π cos( α ) α cos( α ) 3 3 K = VB + I π α Z π ( α ) Conforme a condição do faor de poência uniário K = em-se: PLamp (4.6) π π cos( α ) α cos( α ) 3 3 = VB + I π α Z π ( α ) PLamp (4.7) A parir da equação anerior é possível ober uma expressão para o valor de pico da correne na lâmpada: I PLamp π cos( α ) ( α ) V 3 = B π α Z α cos( α ) 3 E ambém para a ensão de barrameno: (4.8)

112 9 V B = π 3 I ( α ) π cos( α ) 3 α Z α cos( α ) PLamp (4.9) Meodologia de Projeo Com a condição do faor de poência uniário em-se que: π cos( ) α P () 3 in = vg α Z (4.3) Cálculo de C P e C P Considerações: ω = C L P in C P = Z ω Z = L C in P P = η P in v () = g V P C P = V f π s cos( α ) 3 P η P C = C P P (4.3) (4.3)

113 Cálculo de L in e L in Considerações: ω = = α ωs C L P in Subsiuindo o valor de C P em-se: L ω = π s fs = C (4.33) in 4 π α fs P L π η VP cos( α ) 3 = π α P f in L = L in in s (4.34) (4.35) Cálculo dos Elemenos do Circuio Ressonane A Fig. 4. mosra o circuio equivalene para o anque ressonane e a ensão enre os erminais m e s. O projeo do circuio ressonane é para valores próximos da ensão de barrameno, sendo a ensão v ms de pico a pico igual a ensão de barrameno CC. s vms () C f L r ilamp ( ) + C R V r o m - vms ( ) V B Fig. 4. Circuio ressonane equivalene e ensão aplicada.

114 93 Uilizando equações para divisão de ensão, obém-se a equação de ganho para o circuio equivalene, que é dada por: Vo = V X X X X + + j XC X r C R R r ms Cf Lr L C r f (4.36) A impedância da lâmpada, durane o ransiório de parida, é considerada como sendo infinia, sendo represenada pela equação diferencial abaixo: d VB sen s = Lr Cr v C + v r C r d ( ω ) () () Durane o processo de parida da lâmpada, a solução desa equação diferencial depende da relação enre a freqüência de comuação e a freqüência de ressonância da rede LC da carga. A freqüência de ressonância da carga LC é dada pela seguine equação: f op = = π L C C C π L r eq f r r Cf + Cr (4.37) Caso a freqüência de comuação seja igual à freqüência de ressonância, a solução da equação diferencial para condições iniciais nulas é dada por: V VB ω B op VC = sen( ω ) cos( ) r op ωop A correne no induor L r é descria maemaicamene por: il () = C ( ) r r VB ωop sen ωop Tano a ensão como a correne da carga, endem ao infinio com o passar do empo. Como a lâmpada fluorescene possui uma ensão de ignição elevada, ou seja, para que se esabeleça o arco, que é definida pela sua geomeria, poência e pressão, ese comporameno poderia ser uilizado para garanir a parida. Assim que é aingida a ensão de ignição, a impedância da lâmpada cai bruscamene, caracerizando o final da eapa ransiória de parida. Caso a freqüência de comuação diferir da freqüência de ressonância da carga, a solução da equação diferencial é dada por: V B ω s vc () = sen( ω ) ( ) r op sen ωs ( LC r ωs ) ω op A correne no induor pode ser expressa por:

115 94 ( ) V i B () = cos( ω ) cos( ω ) Lr op s LC r ωs A freqüência de comuação deve ser maior que a freqüência de ressonância, caracerizando o fenômeno de baimeno. Quano menor for a diferença enre as freqüências, maiores serão os valores de ensão e de correne aingidos para um mesmo período. Adoando-se a freqüência de comuação como sendo maior que a freqüência de ressonância, a correne i () se desenvolve arasada em relação à componene Lr fundamenal da ensão vms (). O projeo do inversor esá associado à escolha dos componenes a parir de algumas considerações diane do número de variáveis livres no sisema, enre elas, as freqüências de ressonância e a de comuação. Para o projeo dos elemenos do circuio ressonane as seguines condições serão imposas durane o projeo do inversor: faor ρ. A freqüência de oscilação naural durane a parida ( f op ) será ponderada por um p Em regime permanene, para que a correne eseja arasada em relação a fundamenal de vms (), a freqüência de ressonância em regime permanene ( f or ) deve ser α vezes menor que a freqüência de comuação ( f s ). A ponderação pelo faor ρ, que é menor que a unidade, permie limiar a p máxima correne dos inerrupores e a ensão máxima aplicada ao circuio ressonane durane o ransiório de parida. Esa caracerísica faz com que, no caso da ausência da lâmpada, a correne seja nauralmene limiada, não levando o reaor a desruição. O faor α influencia o valor da disorção da correne aplicada à lâmpada: quano mais disane da unidade menor será o coneúdo harmônico da correne do circuio. Das considerações ciadas podem-se definir as relações como: f = ρ f (4.38) op p s f or = α f (4.39) Considerando que a impedância da lâmpada, quando esabelecido o arco, seja muio menor que a do capacior aproximada por: s C r, a freqüência de ressonância na parida, pode ser

116 95 f or = (4.4) π L C r f Se os capaciores de enrada C f e C f forem escolhidos com valor muio maior que os capaciores Charge-pump, em-se: C = C = C f f P Sendo assim, o induor L r pode ser calculado aravés da equação (4.4): L r 4 π α fs f (4.4) = C (4.4) L = L (4.43) r r Subsiuindo-se as equações (4.39) e (4.4) em (4.38) obém-se uma expressão para o cálculo do capacior C r : parida C Com a uilização de capaciores = C f r ρ p C α r r (4.44) = C (4.45) C f s elevados, e os valores dos capaciores de C r s não muio elevados, evia-se desa forma que haja um aumeno de reaivos processados pelos inerrupores. 4.7 Resulados de Simulação Para comprovação dos esudos realizados durane a análise maemáica é realizada a simulação, onde alguns ajuses referenes aos valores calculados dos componenes de poência são necessários. Como já ciado aneriormene isso é resulado do problema da dificuldade de equacionameno dos reaores ipo Charge-pump, sendo que o ajuse é feio para que se obenha o melhor arranjo possível. Os parâmeros para cálculos dos elemenos do circuio são: freqüência de comuação de 8 khz, ensão de pico de enrada igual a 3V senoidal, rendimeno de 85%, α =,6 e freqüência de ressonância na parida de 5 khz.

117 96 Conforme a meodologia apresenada chegou-se aos seguines valores para o proóipo do reaor: L in = L in C P = C P C r= C r C f = C f V B =35 V =,5 mh =8 nf =5 nf =8 nf A parir dos valores obidos, foi realizada a simulação, sendo que uiliza-se novamene o simulador PSIM 6.. O circuio simulado é apresenado na Fig Fig. 4.3 Circuio simulado. A Fig. 4.4 apresena a ensão e a correne de enrada da fone de alimenação, onde a forma de onda da correne ende a ser senoidal, acompanhando a ensão de enrada, o que poderá ser comprovado com os resulados experimenais. Apesar da componene em ala freqüência basane pronunciada, pode se concluir que a TDH será baixa.

118 97 Fig. 4.4 Tensão e correne de enrada. A Fig. 4.5 apresena a correne na lâmpada com sua envolória em baixa freqüência, os valores de pico ficam em orno de 3mA e pode-se esimar que o valor do faor de crisa esará denro do limie esabelecido pela norma, pois a diferença enre o valor de pico e eficaz ficou em orno de 64%. Fig. 4.5 Correne na lâmpada com sua envolória em baixa freqüência. A Fig. 4.6 apresena o dealhe da comuação em um dos inerrupores do inversor. A ensão máxima no inerrupor fica em orno de 35 V e a correne máxima chega a,5 A.

119 98 Fig. 4.6 Dealhe da comuação em um dos inerrupores. 4.8 Resulados Experimenais Para verificar experimenalmene os resulados obidos aravés da meodologia, análise maemáica e simulação, foi desenvolvido e implemenado um proóipo para alimenar duas lâmpadas do ipo T8-3W. A écnica de correção do faor de poência apresenada nese capíulo foi aplicada em um proóipo que uiliza um circuio com freqüência fixa para o comando dos inerrupores, aonde aravés do circuio inegrado IR-53 são gerados os pulsos de comando dos inerrupores no eságio inversor de saída. Os ransisores uilizados no eságio inversor foram do ipo MOSFET IRF-74. Os induores de enrada uilizados nese proóipo uilizaram apenas um núcleo EE3/4 IP, fio 4AWG, 7 espiras para cada enrolameno, e os induores ballas foram consruídos em núcleo NC5/6 IP, fio 6AWG, 53 espiras. vg ( ) Fig Circuio do reaor para duas lâmpadas T8-3W com freqüência fixa.

120 99 Os resulados experimenais são: P in =63,56 W P ou =56, W (Considerando a soma das poências nas lâmpadas) V B =34 V η = 88 % TDH= % Faor de Poência=,99 Faor de Crisa=,68 A ensão e a correne de enrada, que ende a ser senoidal, são apresenadas na Fig Pode-se observar que o valor da correne de enrada chega a valores de pico em orno de 5mA. Fig Tensão e correne de enrada (=4ms; v=v/div; i=5ma/div). O especro harmônico da correne de enrada, conforme os limies esabelecidos pela norma IEC 6-3- Classe C é apresenado na Fig Pode-se noar que o reaor aende à norma esabelecida, sendo ese um dos pré-requisios necessários para a colocação dese ipo de reaor no mercado.

121 Fig Especro harmônico da correne de enrada, conforme IEC 6-3- Classe C. O faor de crisa da correne na lâmpada é de,68, ficando abaixo do valor máximo esabelecido pela norma, que é de,7, conforme pode ser verificado na Fig. 4.. A correne na lâmpada chega a valores de pico em orno de 3mA. Fig Correne na lâmpada com faor de crisa igual a,68 (=4ms; i=ma/div). Na Fig. 4. são apresenadas a ensão, a correne e a poência da lâmpada, onde é possível verificar que a poência fornecida direamene para a lâmpada fica um pouco abaixo da nominal, conforme a eoria apresenada por [].

122 Fig Tensão, correne e poência na lâmpada (=μs; v=v/div; i=5ma/div; p=w/div). Na Fig. 4. é apresenado o dealhe da comuação em um dos inerrupores do eságio inversor. Pode-se noar que a comuação é suave na enrada em condução, melhorando o rendimeno da esruura. A parida da lâmpada é do ipo rápida. Como a esruura foi implemenada uilizando freqüência fixa no eságio inversor, e ambém foi uilizado o circuio inegrado IR-53, foi possível ober parida rápida para ese reaor, ressalando que esa caracerísica é basane imporane do pono de visa da conservação e manuenção da vida úil da lâmpada. Fig Tensão e correne no inerrupor durane a comuação (=4µs/div; v=v/div; i=5ma/div).

123 A Fig. 4.3 mosra a ensão de barrameno durane o ransiório de parida das lâmpadas. Enquano o arco não é esabelecido, a ensão do barrameno fica consane e aproximadamene igual a 4V. Logo após a parida da segunda lâmpada ocorre a diminuição da impedância da lâmpada e a conseqüene queda da ensão de barrameno, conforme a Fig Fig Tensão de barrameno na parida (=ms/div; v=v/div). Fig Tensão de barrameno em regime (=4ms/div; v=v/div). Na Fig. 4.5 são apresenadas as ensões nas lâmpadas durane o processo de parida. Pode-se noar claramene o momeno em que a primeira lâmpada pare, pois a

124 3 ensão sobre ela cai bruscamene, mas a ensão sobre a segunda lâmpada ainda é suficiene para a parida e com isso ambém consegue parir. Já em regime as duas lâmpadas aingem quase que o mesmo valor de ensão. Fig Tensão nas duas lâmpadas durane o processo de parida (=ms/div; v=5v/div). E na Fig. 4.6 são apresenadas as ensões e correnes nas duas lâmpadas, com os respecivos valores de poência para cada uma. Fig Tensão e correne nas duas lâmpadas (=µs/div; v=v/div; i=5ma/div).