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Eletronica de Potencia Ensinando os calculos de diversor conversores CC/CC
Tipologia: Teses (TCC)
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Trabalho de conclusão de curso de graduação, apresentado ao Centro de Ciências Exatas da Natureza e de Tecnologia da Universidade de Caxias do Sul, como requisito para a obtenção do grau de Engenheiro de Controle e Automação.
Orientador: Prof. Me. Anderson Soares dos Santos
A Deus. Aos meus pais, Guerino e Justina, pelo apoio e incentivo. Ao Professor e Orientador Anderson dos Santos Soares, pela atenção e dedicação para garantir o sucesso deste trabalho. A Intral S.A, pela disponibilidade dos recursos fundamentais para a execução deste trabalho. Aos meus amigos e colegas de trabalho.
Trabalho de conclusão de curso, no qual foi implementado um sistema de iluminação de emergência microcontrolado utilizando o LED como fonte luminosa. Em modo normal, ou seja, quando houver energia da rede elétrica, o driver que acompanha a luminária será responsável pela alimentação dos LEDs , porém, em caso de falta de energia, o microcontrolador irá detectar este evento, comutando, para o sistema de emergência, que passará a alimentar a fonte luminosa e desconectando o driver, através de 2 relés. O sistema é composto de um conversor Flyback PSR com tensão de alimentação de 100VCA a 242VCA operando em modo descontínuo de condução (MDC), que será responsável por carregar com corrente constante de 1,5Ah uma bateria Ni-Cd ou Ni-Mh de tensão de 6V e capacidade de 3000mAh. Após atingir a carga completa, o microcontrolador enviará um sinal para o carregador reduzir a corrente para 90mA (modo trickle ). Para controlar a corrente nos LEDs, foi utilizado um conversor Push-Pull , que atende luminárias de LED com tensão de 20V a 140V. A potência máxima de saída deste conversor será de 12W, porém como será alimentado por uma bateria, a autonomia mínima será de 1 hora, sendo que ao final deste período a potência deverá ser superior a 10W que garante a conformidade com a norma NBR: 10898 para aplicações de iluminação de emergência.
Palavras-chave: Iluminação de emergência, conversor Flyback PSR , conversor Push-Pull , microcontrolador, LED.
Figura 2.21: Comportamento da bateria Ni-Cd/Ni-Mh durante o processo de carga. 59
Figura 3.1: Carregador da bateria. ............................................................................ 62
Figura 3.2: Corrente de saída utilizando bateria de Ni-Cd ........................................ 65
Figura 3.3: Corrente de saída utilizando bateria de Ni-Mh. ....................................... 65
Figura 3.4: Tensão aplicada entre drain e source do MOSFET Q (CH1) X corrente de drain ( CH2). ............................................................................................................... 66
Figura 3.5: Tensão (CH1) X corrente (CH2) aplicadas no diodo de saída DOUT. .... 67
Figura 3.6: Circuito responsável pela alimentação dos LEDs. .................................. 68
Figura 3.7: Tensão aplicada no gate dos MOSFETs Q4 (CH1) e Q5 (CH3) (f=50Khz). .................................................................................................................................. 69
Figura 3.8: Tensão aplicada no gate dos MOSFETs Q4 (CH1) e Q5 (CH3) (f=30Khz). .................................................................................................................................. 70
Figura 3.9: Tensão entre drain e source (CH1) X corrente de drain do MOSFET Q (CH2) (f=50Khz). ....................................................................................................... 70
Figura 3.10: Corrente (CH2), tensão (CH1) e potência de saída (f1) com o jumper, tensão saída 20V ...................................................................................................... 71
Figura 3.11: Corrente (CH2), tensão (CH1) e potência de saída (f1) com o jumper, tensão saída 50V_._ ..................................................................................................... 71
Figura 3.12: Corrente (CH2), tensão (CH1) e potência de saída (f1) sem o jumper, tensão saída 50V_._ ..................................................................................................... 72
Figura 3.13: Corrente (CH2), tensão (CH1) e potência de saída (f1) sem o jumper, tensão saída 140V_._ ................................................................................................... 72
CA Corrente alternada
CC Corrente contínua
CI Circuito integrado
MCC Modo de Condução Contínua
MCD Modo de Condução Descontínua
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
PWM Pulse Width Modulation
PCI Placa de circuito impresso
PSR Primary side regulation
Ni-Cd Níquel Cádmio
Ni-Mh Níquel Metal Hidreto
Flyback – Conversor CC-CC Isolado Rebaixador-Elevador
Buck-Boost – Conversor CC-CC Rebaixador-Elevador
Buck – Conversor CC-CC Rebaixador
Boost – Conversor CC-CC Elevador
Push-Pull – Conversor CC-CC Isolado Elevador
Forward – Conversor CC-CC Isolado Rebaixador
Trickle – Método de carga da bateria com corrente baixa (C/20mAh), onde C é a capacidade total da bateria
Drive – Circuito eletrônico utilizado para alimentação de luminárias de LED
A iluminação é responsável por cerca de 17 % do total da eletricidade utilizada no país, sendo que, cerca de 40 % a 45 % da eletricidade consumida por um prédio comercial, é utilizada para a obtenção de energia luminosa. Diante deste fato, é visível a necessidade de investimentos para garantir um melhor aproveitamento da energia utilizada com a geração de luz. Conservar energia é preservar o meio ambiente (COSTA, 2006).
A primeira fonte de luz elétrica foi a lâmpada incandescente, que começou a ser comercializada pela primeira vez no final dos anos 1800. Porém, a lâmpada incandescente mudou muito pouco ao longo dos próximos cem anos, em termos de eficiência, dando abertura para que novas fontes de luz com maior eficiência luminosa fossem introduzidas (COLE, 2015). Conforme Figura 1.1 pode-se avaliar o desenvolvimento das novas fontes de iluminação.
Figura 1.1: Avanço das fontes de iluminação.
Fonte : COLE, (2015).
equipamentos compactos e de baixo consumo, as fontes chaveadas começaram a ser empregadas em maior escala. São largamente empregadas como fonte de alimentação auxiliar, para os circuitos de comando de conversores de maior potência (BARBI, 2007).
1.1 Justificativa do trabalho
Para garantir a segurança de pessoas em lugares confinados, caso ocorra a falta ou falha na iluminação normal instalada, devem existir dispositivos para iluminação de emergência (ABNT, 2013). Os requisitos técnicos normativos expressos na NBR: 10898, determinam autonomia mínima e fluxo luminoso mínimo do sistema de iluminação de emergência, então a utilização do LED como fonte luminosa torna-se um atrativo devido à sua alta eficácia luminosa, o qual permite a utilização de baterias pequenas e/ou uma maior autonomia (CHENG, 2015). Para facilitar o controle do conversor responsável pela alimentação dos LEDs e também adicionar recursos importantes no sistema de iluminação de emergência, será utilizado um microcontrolador. Atualmente com a larga utilização de microcontroladores na indústria eletrônica, a viabilidade econômica para sua utilização já é um grande atrativo (ST, 2015). A utilização da mesma luminária para iluminação quando há energia da rede e quando ocorrer a interrupção no fornecimento é uma das principais justificativas para realização deste trabalho, sendo que em modo normal (havendo energia da rede), o driver existente na luminária será responsável pelo acionamento dos LEDs, porém, em caso de falta de energia, o driver será desconectado, através de uma comunicação feita com o sistema de iluminação de emergência, permitindo que a fonte luminosa seja alimentada pela bateria. A desconexão do driver, bem como o acionamento do modo de emergência são feitos de maneira autônoma. A bateria responsável pela alimentação dos LEDs no modo emergência será carregada através de um conversor CA-CC, alimentado diretamente na rede elétrica. A pesquisa de mercado realizada apontou que as soluções oferecidas atualmente para sistemas de iluminação de emergência, somente suportam um tipo
de bateria, tornando a sua aplicação mais restrita que o estudo proposto, onde serão utilizadas até duas fontes de alimentação (PHILIPS, 2015). O sistema proposto busca uma aplicação abrangente das luminárias de LED disponíveis no mercado, fornecendo uma faixa de tensão na saída que pode ser selecionada para melhor atender a autonomia do sistema.
1.2 Objetivo
Abaixo seguem o objetivo geral e os objetivos específicos, propostos para o presente trabalho, a fim de se obter os resultados esperados.
1.2.1 Objetivo geral
Estudo e implementação de um sistema para iluminação de emergência microcontrolado.
1.2.2 Objetivos específicos
Avaliar tecnologias disponíveis no mercado de produtos similares; Verificar os requisitos técnicos normativos para a aplicação do sistema de iluminação de emergência; Determinar o método de controle de carga e descarga das baterias para maximizar a vida útil; Definir e dimensionar o conversor para a carga e descarga das baterias; Avaliar e dimensionar o conversor para o controle dos LEDs ; Avaliar as necessidades, bem como funções adicionais que podem ser executadas pelo microcontrolador e emprega-lo no conversor para controle dos LEDs ; Implementar um protótipo do sistema de iluminação de emergência; Analisar a viabilidade econômica do sistema de iluminação de emergência;
Os principais produtos fabricados e comercializados pela Intral são:
1.4 Escopo e restrições
São aplicadas algumas restrições ao trabalho, com a finalidade de atingir os objetivos: a) O trabalho se deteve na parte eletrônica dos conversores, não adentrando nas características mecânicas e fotométricas a luminária. b) Toda a sequência lógica e algoritmo foi desenvolvida pelo autor, enquanto que o desenvolvimento do firmware foi terceirizado para uma empresa específica.
Os sistemas de iluminação de emergência foram criados para garantir um nível mínimo de iluminação em determinado local caso ocorram falhas ou interrupções no fornecimento da energia da rede elétrica, ou seja, caso o sistema normal de iluminação artificial falhe, o sistema de emergência será responsável por garantir a iluminação, com autonomia e fluxo luminoso mínimo especificado nas normas técnicas.
Todos os sistemas de iluminação de emergência comercializados no Brasil devem atender aos requisitos especificados nas normas técnicas, onde especificam que, a iluminação de emergência deve clarear as áreas com pessoas presentes, passagens horizontais e verticais para saídas de emergência, áreas técnicas de controle de restabelecimento de serviços essenciais na edificação, na falta ou na falha no fornecimento de energia elétrica (ABNT, 2013).
2.1 Iluminação de emergência com o uso de LED
Os primeiros sistemas de iluminação de emergência foram desenvolvidos utilizando lâmpadas fluorescentes como fonte luminosa. Este tipo de fonte luminosa exige uma bateria robusta, visto que para partir a lâmpada fluorescente é necessário um alto pico de tensão (aproximadamente 1000V) e sua eficiência luminosa é aproximadamente 65 lumens/watt, valor inferior se comparado ao LED que é próximo aos 135 lumens/watt (PRADO, 2010), (OSRAM, 2015).
O LED tem características favoráveis de tamanho menor, uma vida mais longa, menor necessidade de manutenção, maior resistência contra a quebra se comparado a lâmpadas fluorescentes e estar livre de mercúrio, portanto, menos prejudicial ao meio ambiente do que as fontes de iluminação tradicionais (CHENG, 2015). O uso do LED como fonte luminosa em sistemas de iluminação de emergência ganha destaque devido às características já citadas, que refletem em uma autonomia maior com uma fonte de alimentação menor, se comparado aos sistemas que utilizam lâmpadas fluorescentes (PRADO, 2010).
