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This work presents a design methodology and analyss of the selfoscillating electronic ballast used in fluorescent lamps. The self-oscillating electronic ballast is represented as a control system with a nonlinear behavior. In this representation the describing function method and extended Nyquist stability criterion are used to determine the circuit parameters. Besides, the time domain analysis is performed by the differential equations that describe the circuit behaviour. From the analysis carried out it is possible to get some interesting simple alternatives for the self-oscillating electronic ballast applications, such as: dimming capability, power factor correction, and lamp current creast factor correction. It allows increasing the circuit applications whithout compromising the simplicity, reliability, and low cost that characterizes the self-oscillating electronic ballast. Experimental and simulation results are presented to confirm the performance and to validate the analysis, design, and applications presented using the self-oscillating electronic ballast Neste trabalho são apresentados a análise e o projeto do circuito de comando auto-oscilante empregado em reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes. O reator eletrônico auto-oscilante é representado através de um sistema de controle com comportamento não-linear. Sua análise e projeto são realizados através do método da função descritiva e o critério estendido de estabilidade de Nyquist. Realiza-se também uma análise no domínio do tempo em que se solucionam as equações diferenciais que descrevem seu comportamento. Como resultado das análises realizadas, apresentam-se aplicações possíveis deste circuito, tais como: técnica de controle de intensidade luminosa de lâmpadas fluorescentes, correção de fator de potência e controle do fator de crista da corrente da lâmpada fluorescente, permitindo estender as aplicações do circuito de comando auto-oscilante sem comprometer suas características de simplicidade, confiabilidade e baixo custo. Os resultados experimentais e de simulação são apresentados no intuito de demonstrar e validar o projeto, análise e aplicações realizadas empregando o reator eletrônico auto-oscilante

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This work presents the analysis, development and implementation of a lead-acid battery charger through an LLC resonant converter with variable output power capability and an active MOSFET synchronous rectifier. The half-bridge LLC resonant converter aims achieving low voltage levels and obtaining variable output power for an individual leadacid cell. A variable output power metodology is conceived through a variable current transformer (VCT) considering self-oscilating systems. The VCT impedance changing induces to modifications in the resonant filter equivalent impedance, thus leading to diferent operating points and, consequently, diferent voltage and current gains. Besides, it is desirable obtaining ZVS characteristic for all operating points. Thus, this work presents an active synchronous rectifier, looking for reducing complications that will be caused by the rectification diodes. Once the converter, VCT and synchronous recitifer are designed, simulation results are presented to verify the operation considering all the previous funcionalities. After, experimental results show the circuit behavior considering the aforementioned features. Este trabalho apresenta a análise, desenvolvimento e implementação de um carregador de baterias chumbo-ácidas, composto por um conversor ressonante LLC, com potência de saída variável e retificação síncrona a MOSFETs. O conversor half-bridge ressonante LLC é responsável por adequar os níveis de tensão e controlar a potência de saída do conversor considerando a carga de um elemento chumbo-ácido individual. Uma metodologia de variação da potência de saída é abordada e concebida a partir de um transformador de corrente (TC) variável para circuitos auto-oscilantes. A mudança da impedância equivalente do TC faz com que varie-se a impedância equivalente do filtro ressonante, modificando a frequência de ressonância natural do tanque ressonante. Assim, tem-se modificado o ponto de operação do filtro, possibilitando a variação da potência de saída. Busca-se manter a operação em ZVS em ambos interruptores do primário para todos os pontos de operação. Ainda, esse trabalho propõe operação com retificação síncrona no secundário, visando contornar as complicações causadas pela queda de tensão direta dos diodos, relevante em aplicações de baixa tensão de saída. Uma vez projetado o conversor, definido o TC variável e aplicada a topologia de retificação síncrona, análises simulatórias são realizadas para mostrar a operação do conversor com todas as funcionalidades previstas. Posteriormente, resultados experimentais mostram a operação do conversor considerando os aspectos supracitados.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This work considers a new proposal of light emitting diode (LED) driver with the function of visible light communication (VLC). VLC utilizes the light generated by LEDs for transmission of wireless data by modulating their current, which modulates their emitted light. The main hypothesis of this thesis centers on the idea that it is possible to attain high power efficiency while utilizing linear power amplifiers (LPAs) as part of an LED driver, through the confection of a hybrid converter. Thus, the solution aims to unite the high efficiency of switched power supplies with the high bandwidth capabilities of LPAs. The proposed circuit is capable of regulating the average level of the output current, for lighting purposes, while modulating the instantaneous values of such current, for communication purposes. A wide literature review on the subject is presented, regarding dual-purpose drivers for LEDs. Hence, through the content observed, and considering an LED linear model, a single-inductor dual output DC-DC converter is presented, which processes the power for both lighting and communications. The hypothesis is sustained through the design of a circuit prototype in the form of a buck converter working along with a class AB amplifier. A design methodology is presented, together with a Laplace model in order to address the adequate design of the voltages, currents and bandwidth of the system. Moreover, the prototype is put under tests based on quantitative figures of merit, such as efficiency and error vector magnitude (EVM). The experimental results are compared with other similar works available in the literature. In conclusion, the prototype sustains the main hypothesis of this thesis showing a 94% efficiency, a 3,68 MHz bandwidth and a 6,05 megabits per second data rate capacity, while processing power from a 48 V DC bus, providing a 20 W output rated power to an LED load. Este trabalho considera uma nova proposta de circuito de acionamento (driver) para diodos emissores de luz (LEDs) com a função de iluminação e comunicação por luz visível (visible light communication - VLC). A VLC utiliza a luz gerada por LEDs para a transmissão de informação digital através da modulação da corrente elétrica, o qual modula a luz emitida. A hipótese principal desta tese se concentra na ideia de que é possível obter alta eficiência de processamento de energia utilizando amplificadores lineares de potência em um sistema de dupla função, através da confecção de um conversor híbrido. Portanto, a solução proposta permite unir o alto rendimento das fontes chaveadas com a alta largura de banda dos amplificadores lineares. O circuito proposto é capaz de regular a corrente média de saída, para fins de iluminação, bem como a corrente instantânea, modulada para fins de comunicação. Realiza-se uma ampla revisão bibliográfica a respeito das modalidades de circuitos de dupla função presentes na literatura. A partir do conteúdo observado, embasando-se no modelo linear de uma carga de LED, apresenta-se uma proposta de conversor híbrido CC-CC de um único indutor que processa a energia para duas saídas de tensão, de modo a processar as funções de iluminação em cada uma destas respectivas saídas. Sustenta-se a hipótese sugerida a partir da confecção de um protótipo de conversor rebaixador (buck) híbrido, concomitante com um amplificador linear classe AB, trabalhando em uma configuração paralela. É apresentada uma metodologia de projeto baseado na Transformada de Laplace, a fim de garantir o correto projeto das tensões, correntes e da largura de banda do sistema. Mais além, coloca-se o protótipo sobre a análise quantitativa de duas figuras de mérito: a eficiência energética e a magnitude do valor de erro (error vector magnitude). Os resultados são comparados com outros trabalhos similares presentes na literatura. Em conclusão, o protótipo sustenta a hipótese desta tese, ao processar a energia a partir de um barramento CC de 48 V, fornecendo 20 W de potência com eficiência de 94% para uma carga de LED. O sistema é capaz de fornecer uma largura de banda de 3,68 MHz e uma capacidade experimental de transmissão de 6,05 megabits por segundo, sendo esta última limitada somente pela qualidade do circuito receptor utilizado.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This work presents several contributions to the modeling, analysis, design, and control of the LLC resonant LED driver. Initially, the LLC resonant LED driver dynamic model accuracy is improved by taking into account under the modeling the LED non-linear electrical behavior instead of its equivalent load resistance. The extended describing function approach is employed. Simulation results show the feasibility of the proposed model, which predicts the real dynamic behavior of the LLC resonant LED driver when it operates around the main resonance. For the operation beyond the main resonance, the predicted behavior deviates from the real response. Afterward, the contribution to the LLC analysis is given by the proposed time-domain (TD) analysis, where the direct TD solution from the state-space representation is employed. The TD solution overcomes the classical first harmonic approximation (FHA) problem, which presents errors when the switching frequency ( fsw) is beyond the LLC series resonance. Compared to the TD procedure reported in the literature, the developed methodology presents a reduced number of assumptions, ensuring leading accuracy. Experimental results show an outstanding accuracy of the proposed method regardless of the operating condition (filter, load, input, etc.). Following, employing the proposed TD solution, a new design procedure for the LLC resonant LED driver is derived. This design procedure relies on the weighted-average-efficiency concept. Besides, different constraints are assessed to ensure zero voltage switching (ZVS), zero current switching (ZCS), enough power gain, and a practical fsw range over a wide operating window. Experimental results show the feasibility of the proposed design procedure, achieving high efficiency, ZVS, ZCS, and feasible fsw range over the whole operating range. The peak efficiency of 96.44% is achieved. In comparison to the classical design, the efficiency is improved up to 4.3%. Regarding the control system, the contribution is given by the proposal of a new hybrid dual-loop controller for the LLC resonant converter implementing the downstream DC/DC stage in an offline two-stage electrolytic-capacitor-free and flicker-free LED driver. The proposed controller is given by a PI subsystem and an adaptive periodic disturbance rejection subsystem, comprehending the proposed PI&APDR controller. Experimental results and simulation analysis show the outstanding performance of the proposed controller in comparison to conventional counterpart resonant-based controllers. Employing the PI&APDR controller the LED current DC reference is tracked over a wide operating range, even under parametric variations such as average bus voltage, resonant tank elements, and LED module. Besides, enhanced performance is achieved in reducing the output current ripple raised from the bus voltage ripple, where different bus voltage ripple frequencies are also considered. Furthermore, even employing non-linear adaptive controllers, the PI&APDR preserves the feature of having a simple design and implementation. Este trabalho apresenta várias contribuições para a modelagem, análise, projeto e controle do conversor ressonante LLC driver de LED. Inicialmente, a exatidão do modelo dinâmico do conversor é melhorada levando-se em consideração na modelagem o comportamento elétrico não linear do LED ao invés da sua resistência equivalente. Na modelagem emprega-se a função descritiva estendida. Resultados de simulação mostram que o modelo proposto prevê o real comportamento dinâmico do conversor ressonante LLC driver de LED quando a operação se dá em torno da frequência de ressonância. Quando a frequência de comutação ( fsw) é diferente da ressonância, o comportamento previsto apresenta erros. Posteriormente, a contribuição para a análise do LLC é dada pela solução no domínio do tempo (DT), onde a solução direta da representação do sistema no espaço de estado é empregada. A análise do LLC no DT supera o problema da abordagem clássica de análise baseada na aproximação pela harmônica fundamental, a qual apresenta erros quando a fsw é diferente da frequência de ressonância do LLC. Em comparação com os procedimentos de análise no DT apresentados na literatura, a metodologia proposta apresenta um número reduzido de aproximações, garantindo assim melhor exatidão. Resultados experimentais mostram uma excelente exatidão do método proposto, independentemente da condição de operação (filtro, carga, entrada, etc.). Empregando a solução no DT proposta, um novo procedimento de projeto para o conversor ressonante LLC driver de LED é proposto. Este projeto baseia-se no conceito da eficiência média ponderada. Além disso, diferentes restrições são avaliadas para garantir comutação em zero de tensão (ZVS), comutação em zero de corrente (ZCS), ganho de potência suficiente e uma faixa de fsw adequada para toda a faixa de operação do conversor. Resultados experimentais mostram que o conversor projetado apresenta alta eficiência, ZVS, ZCS e a uma variação de fsw adequada. A eficiência máxima de 96,44% foi obtida. Em comparação com o projeto clássico, observa-se ganhos de eficiência de até 4,3%. Em relação ao sistema de controle, a contribuição é dada pela proposta de um novo controlador híbrido para o conversor ressonante LLC implementando o estágio DC/DC de um driver de LED conectado à rede elétrica. O controlador proposto é dado por um subsistema PI e um subsistema com rejeição adaptativa de perturbações periódicas, dando origem ao controlador PI&APDR. Resultados experimentais e análises de simulação mostram o excelente desempenho do controlador proposto em comparação com os controladores proporcionais-ressonantes. Empregando o controlador PI&APDR, a referência CC da corrente no LED é rastreada em uma ampla faixa de operação, mesmo sob variações paramétricas, como tensão média de barramento, elementos do filtro ressonante e módulo de LED. Além disso, um desempenho aprimorado é obtido na redução da ondulação da corrente de saída, mesmo quando diferentes frequências e amplitudes na ondulação da tensão do barramento são consideradas. Além disso, embora seja empregado um controlador adaptativo, o PI&APDR preserva a característica de ter um projeto e uma implementação simples.

This thesis presents a proposal for a gate-driver system, for MOSFET and IGBT power semiconductor devices, which uses a piezoelectric transformer in the power circuit and communication channel. Thus, a bibliographical review of the already known topologies of gate-drivers communication channel and energy transmission was conducted, focusing on isolated structures, where the potentiality of using piezoelectric transformers in this type of application was identified. Therefore, for simplicity, an E-Class converter was used to power the transformer, implementing both the isolated source and the communication channel of the gate-driver circuit. So, the study of the Class-E converter was conducted, involving the modeling of the converter together with a screening of the resonance frequency and the piezoelectric transformer's ratios. A detailed analysis of the piezoelectric transformer was also made to obtain its equivalent electrical model to identify the resonance frequencies and, consequently, its point of operation. Also, regarding the E-Class converter, modulation and demodulation techniques for the gate-driver circuit command signal are proposed. Finally, experimental results for a gate-driver circuit with 30 V supply voltage and command signal between -5 and +15 V are presented for the validation of the proposal. Esta dissertação apresenta uma proposta de sistema de gate-driver para dispositivos semicondutores de potência do tipo MOSFET e IGBT que faz uso de um transformador piezoelétrico no circuito de alimentação e no canal de comunicação. Para tanto, se fez uma revisão bibliográfica das topologias já conhecidas de canal de comunicação e transmissão de energia de gate-drivers, com foco em estruturas isoladas, onde se identificou a potencialidade do emprego de transformadores piezoelétricos neste tipo de aplicação. Assim, por sua simplicidade, empregou-se um conversor Classe-E na alimentação do transformador, implementando tanto a fonte isolada quanto o canal de comunicação do circuito de gate-driver. Deste modo, fez-se o estudo do conversor Classe-E, englobando a modelagem do conversor juntamente com um rastreio da frequência de ressonância e da razão-clica do transformador piezoelétrico. Também fez-se a análise detalhada do transformador piezoelétrico de forma a obter o seu modelo elétrico equivalente para identificar as frequências de ressonância e, por consequência, seu ponto de operação. Ainda com respeito ao conversor Classe-E, são propostas técnicas de modulação e demodulação do sinal de comando do circuito de gate-driver. Por fim, resultados experimentais para um circuito de gate-driver com tensão de alimentação de 30 V e sinal de comando entre –5 e +15 V são apresentados para a validação da proposta.

Este trabalho apresenta uma metodologia de elevada acurácia para projeto de um con-versor ressonante LLC empregado em acionamento de LEDs a partir da rede elétrica. Esta técnica foi aplicada para o conversor CC-CC LLC ressonante utilizado como se-gundo estágio em um driver de LED alimentado a partir da rede elétrica. A modelagem matemática acurada (MMA) foi desenvolvida para ajustar a frequência de comutação do conversor ressonante, a fim de compensar os erros causados pela abordagem de projeto da aproximação por primeira harmônica (FHA). A MMA ébaseada na aná-lise matemática do conversor juntamente com algoritmos numéricos para resolver o conjunto de equações que descrevem o comportamento do circuito. Além disso, uma investigação sobre os principais parâmetros de projeto que influenciam a ondulação de baixa frequência (BF) da corrente no LED foi realizada. Por meio desta análise, uma nova metodologia de projeto que permite a atenuação da ondulação BF da cor-rente nos LEDs foi desenvolvida. O modelo proposto foi empregado para determinar a transmissão de ondula¸c˜ao de baixa frequência no conversor CC-CC LLC ressonante e servir como base para o dimensionamento adequado da capacitância de barramento do driver, que além do conversor ressonante, conta com um primeiro estágio pré-regulador de elevado fator de potência baseado na topologia boost. A fim de realizar o controle do conversor, a modelagem de pequenos sinais da topologia estudada foi desenvolvida. O modelo proposto foi fundamentado em metodologias existentes na literatura com a incorpora¸c˜ao das contribuições da modelagem acurada, buscando uma descrição fide-digna do comportamento dinâmico do conversor. A validação do modelo matemático acurado, da metodologia de projeto proposta e do sistema de controle concebido foi realizada por meio de simulações computacionais e implementações experimentais em um protótipo de 46 W alimentado a partir de uma rede de 127 V. This work presents a high accuracy methodology for designing LLC resonant converter applied to LED driving. This technique has been considered for analyzing and designing a dc-dc LLC resonant converter used as a second stage in an o -line LED driver. The proposed accurate mathematical modeling (MMA) has been used to adjust the switching frequency of the resonant converter in order to compensate the errors caused by the First Harmonic Approximation (FHA) design approach. The proposed methodology is based on the mathematical analysis of the converter together with numerical algorithms to solve a set of equations that describe the driver behavior. In addition, an investigation regarding which design parameters in uence the LED low-frequency (LF) current ripple has been carried out. Based on this analysis, a novel design methodology that allows for the attenuation of the LF current ripple has been devised. The proposed model has been employed to determine the low-frequency current ripple transmission on the LLC resonant converter and to properly design the bus capacitance of the LED driver, which also has a rst stage based on the boost power factor pre-regulator. In order to perform the control of the converter, the small-signal modeling of the studied topology was developed. The proposed model was based on existing methodologies presented in the literature and also on the contributions of the accurate modeling, seeking a reliable description of the dynamic behavior of the converter. The validation of the accurate mathematical model, the proposed design methodology and the designed control system was carried out by means of computational simulations and experimental implementations in a 46-W prototype fed from a 127-V ac grid.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES In this dissertation, a design methodology is proposed for the Self Oscillating Resonant Converter operating in high frequency for LED lighting aplications. The high-frequency operation of electronic circuits has, as the most noticeable advantage, the reduction of weight and volume of the reactive elements in the system, such as capacitors and inductors, which imply miniaturization, increasing the power density of the prototypes. However, high-frequency operation makes the system susceptible to the effects of parasitic elements, such as the switching semiconductors terminal capacitances and its effects. In order to account for such parasitic elements, the classic design methodologies of the Self Oscillating Resonant Converter are revised, where there is no concern regarding the non-linearity of switching elements. After this revision, an analysis is made of the subsequent methodologies that appear from the new trend of frequency increase, and their considerations about parasitic elements. Finally, the proposed design methodology is presented for the Self Oscillating Resonant Converter operating in high frequency for LED applications. In the proposed design methodology, contributions made by previous methodologies are taken into account, and also new observations about the frequency increase are proposed, resulting in a design methodology that articulates considerations from the classic methodologies with the ones proposed from the current problematic. Neste trabalho, é proposta uma metodologia de projeto para o Inversor Ressonante Auto-Oscilante operando em alta frequência para aplicações de iluminação a LED. O aumento da frequência de operação em circuitos eletrônicos tem como principal vantagem redução de peso e volume dos elementos reativos do sistema, ou seja, a miniaturização e aumento da densidade de potência dos protótipos. Todavia, tal prática torna o sistema mais suscetível ao efeito dos elementos parasitas, tais como as capacitâncias dos dispositivos semicondutores de chaveamento e suas particularidades. A partir da necessidade de apurar tais efeitos, uma revisão bibliográfica das metodologias clássicas de projeto do Inversor Ressonante Auto-Oscilante é realizada, onde a preocupação com as não idealidades é desprezada. Após, empreende-se uma análise das metodologias subsequentes que surgem partir da tendência de aumento da frequência e suas considerações acerca dos elementos parasitas. Ao final, apresenta-se uma metodologia própria de projeto para o Inversor Ressonante Auto-Oscilante operando em alta frequência para aplicações a LED. Nesta, são consideradas contribuições realizadas por metodologias anteriores, e também propostas novas reflexões acerca do aumento da frequência e do efeito dos elementos parasitas, resultando em uma metodologia de projeto que articula argumentos existentes nas metodologias clássicas com aqueles propostos a partir da problemática existente.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This master course dissertation presents a proposal of the application of variable inductor technique for inductor’s design presented in the converters used as MPPT in photovoltaic systems. The fact of these technique makes it possible to storing larger amounts of energy in the inductor’s core is the motivation of this work. Therefore, this work applies the variable inductor’s technique for a design of a buck-boost converter in order to decrease the volume of the inductor’s core. It’s also proposed this application in the LLC resonant converter design, in order to perform the MPPT, presenting as an alternative of control, usually done by modifying the switching frequency. After a literature review, which makes possible the project of the system proposed, results were taken by the application of the converter’s project. These results shown that the application of variable inductor’s technique made possible to reduce the inductor’s core volume up to 64%., however, it was verified that the overall efficiency of the converter was penalized under high irradiation conditions. It was also verified the possibility to keep the switching frequency fixed, by varying the inductance value, for the application of variable inductor’s technique in LCC resonant converter. For this case the results showed a penalization of system’s overall efficiency under lower conditions of irradiance, however, at maximum power considered, the efficiency is optimized. Esta dissertação traz a proposta da aplicação da técnica de indutância variável para o projeto dos indutores presentes na estrutura de conversores utilizados como rastreadores do ponto de máxima potência em sistemas fotovoltaicos. O trabalho é motivado pelo fato de que a partir da utilização desta técnica há a possibilidade de armazenamento de maiores quantidades de energia presente no núcleo destes componentes, uma vez que a mesma é diretamente relacionável com o valor de sua indutância. Desta forma, o trabalho aplica a técnica de indutância variável no projeto de um conversor buck-boost na intenção de diminuir o volume do núcleo utilizado pelo indutor. É ainda proposta a aplicação desta técnica ao projeto de um conversor ressonante LLC de modo a realizar o rastreamento do ponto de máxima potência, com a alternativa de modificação da variável de controle, mantendo a frequência de comutação constante, verificando a influência no rendimento do conversor. Posterior à revisão da literatura observando os aspectos pertinentes ao projeto destes conversores, assim como das técnicas de projeto de indutores, foi possível a obtenção dos resultados práticos a partir da execução do projeto destes conversores. Estes resultados mostram a possibilidade de redução de volume do núcleo um indutor utilizado por um conversor buck-boost aplicado ao MPPT de um sistema fotovoltaico proposto em até 64%. Porém foi constatado que com a aplicação desta técnica o rendimento total do conversor é penalizado sob condições de alta irradiação incidida sobre o módulo fotovoltaico. Constatou-se ainda que, para a aplicação em um conversor ressonante LLC foi possível o controle do MPPT mantendo a frequência de comutação fixa e variando-se a indutância. Para este caso os resultados mostraram que o rendimento do conversor é penalizado sob condições de baixa irradiância, sendo que na máxima potência considerada o rendimento é otimizado na utilização da técnica de indutância variável.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq The Microinverter is an inverter sized to meet individual solar panels, usually consisting of two stages, one DC-DC stage and another CC-AC stage. For the first stage of the DC link microinverter, the isolated current-fed half-bridge converter was chosen because of its characteristics. Such as, lower number of components, simplicity of operation and higher voltage gain. The isolated current-fed half-bridge inverter was analyzed for the operating principle, static gain, voltage and current stresses, estimated losses and efficiency. To improve the performance of the isolated current-fed half-bridge converter, high voltage gain circuit techniques were evaluated and associated in the converter. In this way, four high step-up topologies are proposed and evaluated. In relation to CC-CA stage, the adopted converter is the buck with unfolding. The principle of operation, modeling and control, power losses estimation and design methodology of this converter are analyzed. In addition, a small modification in the circuit caused this topology to present an LCL filter, which is an attractive for systems connected in the grid tie. Finally, to validate the theoretical analyzes, five prototypes of 200 W are evaluated experimentally in the laboratory. The Microinverter based on isolated current-fed half-bridge with Cockcroft-Walton cell voltage multiplier presented better features among all DC-DC converters. On the other hand, the results of the CC-CA stage validated achieved the main objective of supplying power to the grid according to standard. Finally, the microinverter based on isolated current-fed half-bridge with Cockcroft-Walton cell and buck with unfolding is the one that achieved better performance. O Microinversor é um inversor dimensionado para atender painéis solares individualmente, usualmente composto por dois estágios, um estágio CC-CC e outro estágio CC-CA. Para o primeiro estágio do microinversor com link CC, o conversor meia-ponte isolado alimentado em corrente foi escolhido devido às suas características. Tais como, menor número de componentes, simplicidade de operação e maior ganho de tensão. O conversor meia-ponte isolado alimentado em corrente foi analisado em relação ao princípio de funcionamento, o ganho estático, esforços de tensão e corrente, estimativa de perdas e rendimento estimado. Para melhorar o desempenho do conversor meia-ponte isolado alimentado em corrente, técnicas de circuitos elevadores de tensão foram avaliadas e associadas no conversor. Dessa forma, quatro topologias elevadoras de tensão foram propostas e avaliadas. Em relação ao estágio CC-CA do Microinversor, o conversor adotado é o buck com unfolding, e foram analisados o princípio de funcionamento, a modelagem, o controle, a estimativa de perdas e a metodologia de projeto desses conversores. Além disso, uma pequena modificação no circuito fez com que essa topologia apresentasse um filtro LCL, o que é um atrativo para sistemas conectados na rede elétrica. Por fim, para validar as análises teóricas, cinco protótipos de 200 W foram avaliados experimentalmente no laboratório. O conversor meia-ponte isolado alimentado em corrente com célula de Cockcroft-Walton multiplicador de tensão apresentou melhores características dentre todos os conversores CC-CC elevadores de tensão. O objetivo principal do estágio CC-CA é fornecer energia à rede elétrica de acordo com as normas, e os resultados experimentais comprovaram esse objetivo. Por fim, o microinversor baseado nas topologias meia-ponte isolado alimentado em corrente com célula de Cockcroft-Walton multiplicador de tensão e buck com unfolding foi o que alcançou melhor desempenho.

This work presents a new point of view about electrolytic capacitor reduction in lighting systems. While most of studies focus only in the functionality of the driver, as ripple current and time response they don’t check the response of the circuit with reduced capacitance on electromagnetic compatibility mainly against surge voltage. This work starts with a bibliographic study on electromagnetic compatibility focusing in surge immunity requirements looking for compliance with IEC 61547 test and requirements. The surge protection device to be analyzed has two components; one is series impedance trigging at driver failure and another in parallel in charge to absorb the surge energy designing these elements to absorb the surge when it happens without acting under normal operation of the driver. Finishing the work is presented a case study using the designed surge protection circuit in two different configuration of a resonant converter being able to verify that reducing the driver capacitance makes the circuit more susceptible against surge voltages. Este trabalho apresenta uma abordagem alternativa na análise da redução dos capacitores eletrolíticos em sistemas de iluminação. Enquanto a grande parte dos trabalhos verifica exclusivamente o funcionamento do circuito, não contempla o impacto que essa redução causa à imunidade eletromagnética do sistema, tornando-a mais suscetível a surtos de tensão. O trabalho inicia apresentando uma breve revisão bibliográfica sobre compatibilidade eletromagnética, focando na proteção contra surtos de tensão. Traz, ainda, os ensaios para imunidade eletromagnética em que o circuito deve cumprir definidos pela norma IEC 61547. O circuito de proteção analisado é composto de dois elementos, um em série com a entrada da fonte que atua em caso de falha; e outro em paralelo, o qual é responsável pela absorção da energia do surto. O dimensionamento desses elementos é feito de tal forma que atuem apenas absorvendo o surto quando aconteça, sem falha precoce ou atuação em operação normal do conversor. E, por fim, trazemos um estudo de caso no qual o circuito calculado é aplicado em duas configurações de drivers para iluminação pública, observando-se que a diminuição do capacitor de barramento torna o circuito mais suscetível a falhas catastróficas devido aos surtos de tensão.

CAPES Esta dissertação apresenta um estudo comparativo entre dois modos de conexão de conversores CC-CC empregados em lâmpadas LED para iluminação pública. Uma das conexões é baseada na técnica conhecida como Reduced Redundant Power Processing e a outra é a conexão série de conversores estáticos. Os conversores SEPIC e buck-boost foram implementados, respectivamente, nos estágios de correção do fator de potência e controle de potˆencia demandada pela carga. Ambos os conversores operam em modo de condução descontínua de corrente. Protótipos de 70 W foram implementados para os dois tipos de conexão. Os resultados experimentais obtidos mostram o desempenho de cada tipo de conexão. Ambas as conexões estão em conformidade à norma IEC 61000-3-2 Classe C e as recomendações práticas IEEE Std 1789-2015. ´E realizada uma discussão sobre as vantagens e desvantagens de cada modo em estudo. This work presents a comparative study between two different connections of DC-DC converters used in LED lamps for street lighting. One of the connections is based on the technique known as Reduced Redundant Power Processing and the other one is the series connection of static converters. The SEPIC and buck-boost converters were implemented, respectively, in the power factor correction and power control demanded by the load stages. Both of the converters operate in the discontinuous conduction mode of current. Prototypes of 70 W were developed for the two connection types. The experimental results obtained shows the performance of each connection type. Both of the connections are in compliance with the IEC 61000-3-2 Class C standard and the practicals recommendations IEEE Std 1789-2015. A discussion is realized about the advantages and disadvantages of each connection type.

This dissertation proposes to review the technologies and teaching methods currently employed in the teaching of microcontrollers. For this work, a bibliographic research was done on microcontrollers, with a methodological approach based on the Case Study. At the data collection stage, qualitative and quantitative research was used, and the sample of the research population consisted of 47 teaching plans and 37 pedagogical projects of different courses of Brazilian technical, technological and higher education institutions, 32 teachers who Teach the discipline of microcontrollers or similar, of technical, technological and / or superior courses in Brazil, and 11 students of technical and technological courses in Santa Maria, RS - Brazil. The teachers 'perception regarding the teaching of microcontrollers was evaluated through a web questionnaire, and the students' knowledge was evaluated through a demonstrative class of the three practical methodologies and a web questionnaire. The disciplines that teach microcontrollers usually have the name Microcontrollers or Microcontrolling Systems, the total workload is 60 or 72 hours, with theoretical hours of 36 or 30 hours and practical hours of 30 or 36 hours. The most commonly used microcontrollers are those of the PIC and 8051 families, together with the programming languages Assembly and C. In relation to the order of use of microcontroller teaching methods, simulation is commonly employed by first, secondly we have a technical tie between The educational kit and the assembly, and thirdly use the assembly. It is concluded that there is a great range of resources for teaching microcontrollers, with some standing out and forming a pattern. Due to regional peculiarities and partnerships with industry, it is up to the teacher to identify the level of deepening required for the discipline and to which job market the student needs to be prepared, thereby choosing the appropriate teaching resources. Esta dissertação de mestrado propõe revisar as tecnologias e métodos de ensino atualmente empregados no ensino de microcontroladores. Para esse trabalho, foi efetuada uma pesquisa bibliográfica sobre microcontroladores, com enfoque metodológico embasado no Estudo de Caso. Na fase da coleta de dados foram utilizadas as pesquisas qualitativa e quantitativa, e a amostra da população da investigação contou com 47 planos de ensino e 37 projetos pedagógicos de cursos distintos (instituições de ensino técnico, tecnológico e superior brasileiras), 32 professores que ministram a disciplina de microcontroladores ou afins (de cursos técnico, tecnológico e/ou superior do Brasil), e 11 alunos de cursos técnicos e tecnológicos de Santa Maria, RS – Brasil. A percepção dos professores em relação ao ensino de microcontroladores foi avaliada através de um questionário web, e a dos alunos foi avaliada através de uma aula demonstrativa das três metodologias práticas, além de um questionário web. As disciplinas que ensinam microcontroladores geralmente possuem o nome de Microcontroladores ou Sistemas Microcontrolados. Possuem uma carga horária total de 60 ou 72 horas, com número de horas teóricas de 36 ou 30, e número de horas práticas de 30 ou 36. Os microcontroladores mais empregados são os da família PIC e 8051, juntamente com as linguagens de programação Assembly e C. Em relação a ordem de emprego dos métodos de ensino de microcontroladores, a simulação é comumente empregada por primeiro, em segundo lugar tem-se um empate técnico entre o kit educacional e a montagem, e em terceiro lugar tem-se a montagem. Conclui-se que existe uma gama grande de recursos para o ensino de microcontroladores, com alguns se destacando e formando um padrão. Devido a peculiaridades regionais e parcerias com a indústria, cabe ao professor identificar qual o nível de aprofundamento necessário para a disciplina e para qual mercado de trabalho o aluno precisa ser preparado, com isso, escolhendo os recursos de ensino apropriados.

This master thesis presents the development of a 100 W LED driver, suitable for outdoor and street lighting. In order to match the driver and LED features, special functionalities are added to the electronic system. To obtain a long lifetime, electrolytic capacitor are exchanged by film capacitor, with longer useful lifetime. However, this practice outcome in higher bus voltage ripple, which have to be compensated in the LED current control stage, named as power control stage. To achieve special functionalities, the proposed driver is designed to operate with universal input voltage and dimming capability, being the entire driver control implement in a digital way, increasing significantly the LED driver flexibility. After the literature review, which aimed to evaluate the characteristics of the LED driver topology structure, the two independent stage topology is selected. The buckboost converter operating in discontinuous conduction mode is employed on the power factor correction stage. The power control stage is composed by the DC/DC LLC resonant converter. Once the LED driver topology is defined, each converter is designed, following by the small signal modeling and the control system design. Experimental results of the driver operating with a reduced bus voltage capacitance (25 μF), are presented for a universal input voltage (85 – 265 VRMS) and different dimming levels (100% − 30%). A high power factor (> 0,94) and a medium to high efficiency (> 82%) is noticed in whole operation points, as well as, a reduced flicker (< 10%), being in accordance with the recent released IEEE Std 1789-2015 and IEC61000-3-2 Class C. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um driver para o acionamento de um módulo de LEDs de 100 W, destinado a iluminação de exteriores ou iluminação pública. De forma a compatibilizar as características do LED com o driver, diferentes funcionalidades e condições de operação são adicionadas ao sistema eletrônico desenvolvido. Para alcançar longa vida útil, o driver desenvolvido substituiu os capacitores eletrolíticos por capacitores de filme. No entanto, essa prática resulta em maiores ondulações da tensão de barramento, as quais são compensadas pelo estágio de controle da corrente dos LEDs. De modo a aumentar as funcionalidades do driver, o mesmo opera com tensão de entrada universal e controle da intensidade luminosa, sendo o sistema de controle do driver implementado de forma digital, aumentando consideravelmente sua flexibilidade. Após revisão da literatura, a qual objetivou avaliar as características das estruturas e topologias empregadas em drivers para LEDs, seleciona-se a estrutura de dois estágios independentes. O conversor buck-boost operando no modo de condução descontínuo de corrente é empregado no estágio de correção do fator de potência. Para o estágio de controle da corrente dos LEDs, utiliza-se o conversor CC/CC meia ponte ressonante LLC. Definida a estrutura topológica, bem como os conversores utilizados, o projeto dos elementos é desenvolvido, seguido da modelagem dinâmica e do projeto do sistema de controle de cada estágio. Resultados experimentais do driver com reduzida capacitância de barramento (25 μF) mostram a sua operação com tensão de entrada universal (85 – 265 VRMS) e controle de intensidade luminosa (100% − 30%). Verificou-se um alto fator de potência (> 0,94) em toda a faixa de operação, rendimento média-alto (> 82%), bem como reduzida modulação de intensidade luminosa (< 10%), estando em conformidade com a IEEE Std 1789-2015 e a IEC61000-3-2 Classe C.

In this master thesis, the development of an electronic ballast with variable luminous flux for a T5 fluorescent lamp is presented. Several technics for the control of the power variation have already been discussed in the literature. Therefore, this work presents a method that blends two of the most traditional technics: the control done by altering the bus voltage and the control done through the changing of the switching frequency. To achieve this, the electronic circuit is composed by a power factor pre-regulator, which is a SEPIC converter with digitally controlled output voltage, a half-bridge inverter and a LCC resonant filter. For the pre-regulation stage, a proportional-integral compensator is used as the control method, which provides different levels of output voltage with an almost zero error when compared to the reference voltage and a satisfactory response to line disturbances. The half-bridge inverter control is done with the IR21592 IC, which keeps the phase angle fixed for the system’s entire operation band through a phase control loop. In order to validate the efficiency of this method, the electronic circuit is also evaluated when operating with the classical approach, by using a constant bus voltage and controlling the phase angle of the resonant filter to change the lamp’s luminous flux. Furthermore, the pre-heating of the lamp ’s filaments is analyzed and its temperatures are controlled by a Flyback converter, according to the power variation. Essa dissertação apresenta o desenvolvimento de um pré-regulador de fator de potência aplicado a um reator eletrônico com variação de fluxo luminoso para uma lâmpada fluorescente modelo T5. Diversas técnicas para o controle da variação da potência em lâmpadas fluorescentes já foram discutidas na literatura, sendo que nesse trabalho será abordado um método que mescla duas das principais técnicas, que são: o controle feito pela variação da tensão de barramento e o controle feito através da variação da frequência de comutação do inversor ressonante. Para isso, o reator é composto de um estágio pré-regulador de fator de potência, formado por um conversor SEPIC com tensão de saída variável e controlada digitalmente, um inversor half-bridge e um filtro LCC ressonante. No estágio pré-regulador é utilizado um compensador proporcional integral para os diversos níveis de tensão de saída, o qual proporciona uma tensão de barramento com erro praticamente nulo em relação a referência e uma satisfatória resposta quando submetido a distúrbios da rede elétrica. O controle do inversor half-bridge é feito pelo CI IR21592, o qual, através de uma malha PLL, mantém o ângulo de fase da corrente do filtro ressonante fixo para toda faixa de operação do reator. Para a validação do desempenho do método proposto, é também avaliado o rendimento do circuito operando de forma clássica, utilizado uma tensão de barramento fixa e controlando o ângulo de fase da corrente do filtro ressonante para se obter a variação do fluxo luminoso da lâmpada. Também é avaliado o preaquecimento e o aquecimento dos filamentos da lâmpada durante a variação da potência, realizado por um conversor Flyback.

This work presents an analysis of a Piezoelectric Transformer (TP), showing the main types of devices, characteristics, operation modes, among others important points. The parameters of Mason Classic Model are determined by frequency response analysis. The nominal load is determined considering the maximum power transfer and the efficiency from the load tests. In order to obtain a more accurate equivalent model, an optimization methodology of equivalent model is proposed. The criterion used to optimize the model is the minimum standard square error between frequency response of TP and model. To prove the results obtained by the optimization meth-odology, it is presented, in impedance graphs, the curves of model obtained by fre-quency response, optimized model and TP. The optimized model is obtained for dif-ferent segments configurations of TP. The analysis of segments has the goal to adapt the TP to specific applications, enabling the parameters adjust, to different condi-tions of load impedance to maximum power transfer, voltage gain and efficiency, among others. The Half-Bridge practical results with nominal load are presented to all segments configurations, using as resonant converter. Este trabalho apresenta uma análise sobre Transformador Piezelétrico (TP), mostrando os principais tipos de dispositivos, características, modos de operação, en-tre outros pontos importantes. Os parâmetros do modelo clássico de Mason são de-terminados pela análise da resposta em frequência. A carga nominal é determinada levando em conta a máxima transferência de potência e o rendimento a partir de tes-tes de carga. Para obter o modelo equivalente mais preciso é proposto uma metodolo-gia de otimização do modelo equivalente. O critério utilizado para otimizar o modelo é do menor erro quadrático normalizado e ponderado entre a resposta em frequência do modelo e a resposta experimental do TP. Para comprovar os resultados obtidos pela metodologia de otimização, são apresentados gráficos de resposta em frequência do modelo obtido pela resposta em frequência, do modelo otimizado e a resposta ex-perimental do TP. O modelo otimizado é estendido para diferentes configurações de segmentos do TP. A análise dos segmentos tem como objetivo adequar o TP para aplicações específicas, possibilitando o ajustes de parâmetros, para diferentes condi-ções de resistência de carga para máxima transferência de potência, ganho de tensão e rendimento, entre outros. Resultados práticos com carga nominal são apresentados para todas configurações de segmentos, utilizando como conversor ressonante o con-versor Half-Bridge.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This master thesis presents the analysis and design of an electronic drive system for fluorescent induction lamps. This lighting technology, despite being patented since the 60s, is not widely diffused in the market context. However, it is an extremely attractive alternative due to long lifetime and high luminous efficiency. The analysis circuit consists of a power factor correction associated with a power control stage, which provides the lamp ignition and current limitation. An integration methodology is applied in order to reduce the number of active semiconductor switches. The resulting topology, called here SEPIC half-bridge, presents a shared switch able to act, both in the pre-regulator stage, as well as for the power control stage. The number of elements reduction also occurs by magnetic integration. In this case, the pre-regulator inductors are distributed in a single core. For electronic system flexibility, it was inserted the dimming capability, where the low frequency modulation technique was evaluated. This technique is suitable for high power variation rates and provides a stable operation. The topology is controlled by a feedback system ensuring a satisfactory response of the system when subjected to disturbances, in addition to ensuring the correct power to the lamp. The electronic ballast designed behavior was evaluated experimentally. In this situation, there was obtained a low input current distortion associated with a high power factor. The lamp power variation range was 70% (30 W to 100 W), with an average efficiency around 82%. Neste trabalho de mestrado, apresenta-se a análise e o projeto de um sistema eletrônico de acionamento para lâmpadas fluorescentes de indução. Esta tecnologia de iluminação, apesar de ser patenteada desde a década de 60, ainda é pouco difundida em âmbito comercial. Entretanto, é uma alternativa extremamente atraente devido a longa vida útil e a elevada eficiência luminosa. O circuito analisado consiste de um estágio de pré-regulação do fator de potência associado a um estágio de controle de potência, capaz de prover as necessidades de partida e limitar a corrente aplicada à lâmpada. Para estes estágios, visando a redução do número de semicondutores ativos, é aplicada a metodologia de integração de interruptores. A topologia resultante, chamada de SEPIC half-bridge, apresenta um interruptor compartilhado, capaz de atuar tanto para o pré-regulador, quanto para o controle de potência. A redução do número de elementos se dá também pela integração de magnéticos. Nesta situação, os indutores do pré-regulador são distribuídos em um único núcleo. Buscando a flexibilidade do sistema eletrônico, neste foi inserido a capacidade de variação da intensidade luminosa, onde a técnica de modulação de baixa frequência foi avaliada. Tal técnica é apropriada para elevados índices de variação de potência, além de proporcionar uma operação estável do circuito. A topologia é controlada por um sistema de retroalimentação, capaz de garantir uma resposta satisfatória do sistema quando submetido a distúrbios, além de garantir a potência processada pela lâmpada. O comportamento do reator eletrônico projetado foi avaliado experimentalmente. Nesta situação, obteve-se uma baixa distorção da corrente de entrada e elevado fator de potência. A faixa de variação de potência foi de 70% (100 W à 30 W), com um rendimento médio de 82%.

This work presents the analysis and design of the self-oscillating electronic ballast to fluorescent lamps detection. The electronic ballast must be able to detect and run lamps with different power ratings, according to the fluorescent lamps control standards. A SEPIC converter is used to perform power factor correction and a half-bridge inverter supplies the lamps. An analog circuit must detect the lamp and set its operation power. The main feature of the proposed electronic ballast is use the self-oscillating gate driver circuit in the SEPIC and half-bridge command circuits. Experimental results presented show the feasibility of the proposed solution. The electronic ballast meets the electrode preheating and harmonic currents injected into the public supply system standards. An analysis of fluorescent lamps detection methods with the self-oscillating gate driver circuit and its simulation results are presented. Este trabalho apresenta a análise e o projeto do reator eletrônico auto-oscilante para reconhecimento de lâmpadas fluorescentes. O reator eletrônico desenvolvido irá identificar e operar diferentes lâmpadas com sua potencia nominal, atendendo as normas para reatores eletrônicos para iluminação fluorescente. Será empregado um conversor SEPIC para correção de fator de potência, um inversor meia-ponte para alimentação das lâmpadas e um circuito analógico para identificar e determinar a potência entregue às lâmpadas. A principal característica do reator desenvolvido é a utilização do circuito de comando auto-oscilante para o comando dos interruptores do circuito. São apresentados resultados experimentais que comprovam que a metodologia de projeto é adequada e que a topologia atende as normas de preaquecimento dos eletrodos e de harmônicas de corrente injetadas na rede pública de alimentação. É apresentada uma análise de métodos de reconhecimento de lâmpadas fluorescentes que podem ser implementados com o circuito de comando auto-oscilante, os quais são validados através de resultados de simulação.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This paper presents a study of the characteristics of magnetic materials. The application of this study is the feeding of an electrodeless fluorescent lamp (EFL). This type of lamp is driven by electromagnetic effects and, because of this, the electrodes are eliminated. Thus, the EFL has longer lifetime associated with low lumen depreciation representing an alternative to lighting systems among other discharge lamps. Because of the EFL magnetic characteristics, the operation frequency of this type of system has to be high in order to reduce the size of inductive elements avoiding the shadowing. Thus, the study of different magnetic materials capable of operating under these circumstances is proposed. Experiments were performed in order to obtain material characteristics such as the magnetization curve and the energy losses, and simulations were used to study characteristics not available through practical means. Four different materials are analyzed, the ferrites N87 (from EPCOS) and IP12E (from THORNTON) and amorphous and nanocrystalline alloys. In the ferrites cases, it was possible to carry out practical experiments and prove that they are able to meet the operating needs of EFL. However, it was not possible to acquire toroids alloys, amorphous or nanocrystalline, with the internal diameter required to accommodate the bulb of the EFL therefore, results of simulations are presented for these cores projects. At the end of the work, comparisons are made between the results obtained. Este trabalho apresenta um estudo das características de materiais magnéticos. A aplicação deste estudo é o acionamento de uma lâmpada fluorescente sem eletrodos (LFSE). O acionamento deste tipo de lâmpada é realizado a partir de efeitos eletromagnéticos, sem a necessidade de eletrodos. Em virtude disso, as LFSE apresentam, dentre as demais lâmpadas de descarga, uma longa vida útil associada a uma baixa depreciação do fluxo luminoso, representando uma alternativa atraente para sistemas de iluminação. Devido as características magnéticas das LFSE, a frequência de operação desse tipo de sistema deve ser elevada, com o objetivo de reduzir o volume dos elementos indutivos, evitando o sombreamento causado pelos mesmos. Com isso, é proposto o estudo de diferentes materiais magnéticos capazes de operar sob estas circunstâncias. Foram realizadas experiências a fim de obter características de materiais, tais como, a curva de magnetização e as perdas de energia, e simulações para estudar características não acessíveis através de meios práticos. Quatro diferentes materiais são analisados, os ferrites N87 (da EPCOS) e IP12E (da THORNTON) e as ligas amorfas e nanocristalinas. No caso dos ferrites foi possível realizar experiências práticas e comprovar que os mesmos são capazes de suprir as necessidades de funcionamento da LFSE. Porém, não foi possível adquirir toroides de ligas, amorfas ou nanocristalinas, com o diâmetro interno necessário para acomodar o bulbo da LFSE, portanto, resultados de simulações são apresentados para os projetos destes núcleos. Ao final do trabalho são realizadas comparações entre os resultados adquiridos.

This paper presents the design and development of an electronic ballasts family obtained through the use of the integration technique of converters for feeding the electrodeless fluorescents lamps (EFL). This type of lamp is driven by electromagnetic effects and because of this the electrodes are eliminated. Thus, the EFL has longer lifetime associated with low lumen depreciation representing an alternative to lighting systems among other discharge lamps. It is necessary to develop an electrical model capable of describing the behavior of the lamp in order to design electronic circuits to provide a good operation. In this work, the developed model includes not only, the lamp static behavior at different operating points, but also the magnetic losses involved. Because of the EFL magnetic characteristics, the operation frequency of this type of system has to be high in order to reduce the size of inductive elements avoiding the glare. Due to this, it is proposed a set of electronic systems for feeding the lamp in an efficient way. The systems are studied to establish relationships regarding the behavior and limitations imposed by them. This work also presents the power control delivered to the lamp. Finally, experimental results are presented in order to validate the developed project. Este trabalho apresenta o projeto e o desenvolvimento de uma família de reatores eletrônicos obtidos através da técnica de integração de conversores estáticos, aplicados à alimentação de lâmpadas fluorescentes sem eletrodos (LFSE). O acionamento deste tipo de lâmpada é realizado a partir de efeitos eletromagnéticos, sem a necessidade de eletrodos. Em virtude disso, as LFSE apresentam, dentre as demais lâmpadas de descarga, uma longa vida útil associada a uma baixa depreciação do fluxo luminoso, representando uma alternativa atraente para sistemas de iluminação. Visando obter circuitos eletrônicos capazes de proporcionar o funcionamento satisfatório da LFSE, faz-se necessário o desenvolvimento de um modelo elétrico capaz de descrever o comportamento da mesma. Tal modelo desenvolvido nesse trabalho contempla, não só o comportamento estático da lâmpada em diferentes pontos de operação, como também suas perdas magnéticas envolvidas. Em virtude das características magnéticas das LFSE, a frequência de operação desse tipo de sistema deve ser elevada, com o objetivo de reduzir o volume dos elementos indutivos, evitando o sombreamento causado pelos mesmos. Com isso, propõem-se um conjunto de sistemas eletrônicos capazes de realizar o acionamento eficiente da lâmpada. O estudo de tais sistemas tem por finalidade estabelecer relações e comparações quanto ao comportamento e as limitações impostas pelos mesmos. Neste trabalho, o controle da potência entregue a lâmpada também foi analisado. No final, os resultados experimentais são apresentados no intuito de validar o projeto desenvolvido.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This paper presents the development of an electronic ballast for high intensity discharge lamps, using the differential connection technique applied to Flyback converters. The power factor correction stage was implemented by a Buck-Boost converter operating in discontinuous conduction mode. Subsequently, the integrating converters technique was used to simplify the power circuit, making the power factor correction stage and Flyback converters share the same active switches. The proposed circuit was dynamically modeled, in order to obtain the mathematical parameters that govern the behavior of the ballast, obtaining the differential equations relating the voltage and current in the lamp, due to the variation of both the input voltage as the duty cycle. Digital control of the output current provided the use of a low cost microcontroller, the compensating system was designed in discrete time from the use of an integrator and a low frequency bandwidth. For effective control of lamp power, an external loop that regulates the circuit current reference was implemented. The practical implementation of the electronic ballast was performed, in order to verify the proposed control performance. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um reator eletrônico para alimentar lâmpadas de descarga em alta pressão, utilizando a técnica de conexão diferencial aplicada aos conversores Flyback. A etapa de correção de fator de potencia foi implementada através de um conversor Buck-Boost operando em modo de condução descontinuo. Posteriormente, foi utilizada a técnica de integração de conversores para simplificar o circuito de potência, fazendo com que a etapa de correção do fator de potencia e os conversores Flyback compartilhassem os mesmos interruptores ativos. O circuito proposto foi modelado dinamicamente a fim de obter os parâmetros matemáticos que regem o comportamento do reator, obtendo as equações diferenciais referentes à tensão e corrente na lâmpada, em função da variação, tanto da tensão de entrada como da razão cíclica. O controle digital da corrente de saída proporcionou a utilização de um dispositivo microcontrolado de baixo custo, sendo o compensador do sistema projetado em tempo discreto a partir da utilização de um integrador e uma banda passante de baixa frequência. Para o efetivo controle da potência na lâmpada foi adicionada uma malha externa que regula a referência de corrente do circuito. Foi realizada a implementação prática do reator eletrônico a fim de verificar a performance do controle proposto.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This work presents the design and analysis of an electronic system with universal input to supply a fluorescent lamp. The system includes a self-oscillating electronic ballast and an additional circuit which allows keeping the nominal lamp power although a variation of the input voltage. The electronic ballast design comprises some steps: resonant filter design, self-oscillating gate driver design, additional circuit design and stability test. The electronic ballast is represented as a nonlinear control system in order to achieve a feasible design methodology. Moreover, the system must be analyzed considering the describing function method and the extended Nyquist stability criterion. The proposed electronic ballast must maintain the main characteristics of the traditional self-oscillating electronic ballast. Besides that, the additional circuit has a small number of components and it allows the input voltage full range with automatic selection of the switching frequency. The design, simulation and experimental results of the prototype are presented. Este trabalho apresenta a análise e o projeto de um sistema eletrônico com entrada universal para alimentação de lâmpadas fluorescentes. O sistema é composto por um reator eletrônico auto-oscilante com um circuito adicional, que permite manter a potência da lâmpada no valor nominal independente da tensão de alimentação. O projeto do reator eletrônico é dividido em etapas, que compreendem o projeto do filtro ressonante, do comando auto-oscilante, do circuito adicional e a análise da oscilação auto-sustentada. Para viabilizar uma metodologia de projeto adequada, o reator eletrônico é representado como um sistema de controle. Para análise e projeto são utilizados a função descritiva e o critério de estabilidade estendido de Nyquist. O reator eletrônico mantém as principais características do reator eletrônico auto-oscilante tradicional. Além disso, o circuito adicional possui um número reduzido de componentes, o que permite empregar o reator eletrônico em qualquer rede de alimentação monofásica sem a necessidade de ajuste manual para escolha da tensão de alimentação. São apresentados resultados de simulação e experimentais do protótipo implementado.

This dissertation brings a plan for improvements in the form of a technical manual on combating waste electrical energy in micro and small enterprises commercial retailers, energy of diagnosis-based microenterprises and small commercial enterprises retailers Santa Maria- RS. Thus, technical manual enables to micro and small enterprises, eficientization actions and strategies, as well as the determination of the magnitude of the results of actions proposed eficientization. The data were addressed quantitatively, through statistical methods, whose results represent the entire population of firms in the study. The results show the potential of separate technical topics eficientization (accounts and supply, lighting, cooling, and other equipment), as well as the total eficientização potential. Joint analysis of all topics, for the entire population of micro and small enterprises in study identified in waste, reaching 13.5% in micro companies and 11.6% in small companies. These figures represent the greatness of electrical energy wastage in enterprises, and justify the preparation of the plan of improvements to the energy eficientization, which contributes to the knowledge of electricity companies on the subject, motivating the change of attitude with regard to combating waste this white paper, reducing production costs, as well as increased quality and productivity of their products and/or services, favouring competitiveness and ensuring their survival on Esta dissertação traz um plano de melhorias, sob a forma de um manual técnico de combate ao desperdício de energia elétrica em micro e pequenas empresas comerciais varejistas, baseada no diagnóstico energético das microempresas e empresas de pequeno porte comerciais varejistas de Santa Maria-RS. Assim, o manual técnico possibilita às micro e pequenas empresas, estratégias e ações de eficientização, bem como a determinação da magnitude dos resultados das ações de eficientização propostas.. Os dados foram abordados quantitativamente, através de métodos estatísticos, cujos resultados representam toda a população de empresas em estudo. Os resultados mostram o potencial de eficientização separado em tópicos técnicos (contas e fornecimento, iluminação, refrigeração e outros equipamentos), bem como o potencial de eficientização total. A análise conjunta, de todos os tópicos, para toda a população de microempresas e empresas de pequeno porte em estudo, identificou elevados índices de desperdício, atingindo 13,5% nas microempresas e 11,6% nas empresas de pequeno porte. Estes dados apresentam a grandeza do desperdício de energia elétrica nas empresas em estudo, e justificam a elaboração do plano de melhorias para a eficientização energética, que contribui para o conhecimento das empresas sobre o assunto eletricidade, motivando a mudança de atitude quanto ao combate ao desperdício deste insumo, reduzindo os custos de produção, bem como aumento da qualidade e produtividade de seus produtos e/ou serviços, favorecendo a competitividade e garantindo sua sobrevivência no mercado.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This paper presents a study on the application of high-brightness LED (Light Emitting Diode)to health care. The LEDs are supplied by electronic converters, proposed in order to analyze the light emitted by the LEDs and their interaction with human tissues. Throughout the work, a comparative study between the LED and LASER and their actions on human tissue is presented. Also, a study on the influence of frequency, duty cycle and the radiated power on the wavelength of light emitted by LEDs was conducted. The assesment of the effects of blue and red light emitted by high-brightness LEDs in real cases made the conclusions consistent and promising. The research work also comprises a extensive revision on electronic converters that can supply the LEDs, listing their features, advantages and disadvantages. In this study, the development of four electronic converters to supply the arrangements of LEDs is developed. The implementation of these arrangements has demonstrated to be successful, with excellent results in patients who underwent the LED therapy using the proposed converters. Este trabalho apresenta um estudo sobre a aplicação de LEDs (Light Emitting Diode) de alto brilho aplicados a tratamentos de saúde alimentados por conversores eletrônicos propostos, com o objetivo de analisar os resultados da aplicação da luz emitida pelos LEDs sobre o tecido humano. Ao longo do trabalho, é apresentado um estudo comparativo entre o LED e o LASER e suas ações sobre os tecidos humanos. Também, é realizado um estudo sobre a influência da freqüência, da razão cíclica e da potência irradiada sobre o comprimento de onda da luz emitida pelos LEDs. A abordagem dos efeitos da cor azul e vermelha emitida por LEDs de alto brilho no tecido humano é feita de forma consistente avaliando-se a interação terapêutica sob o tecido. É também apresentado um estudo sobre conversores eletrônicos que podem alimentar LEDs elencando suas características, vantagens e desvantagens. Através deste estudo é proposto o desenvolvimento de quatro conversores eletrônicos para alimentarem os arranjos de LEDs desenvolvidos. A aplicação desses arranjos obtém êxito na terapia, apresentando excelentes resultados nos pacientes que se submeteram a LEDterapia.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents and analyzes a new family of electronic ballasts to supply metal halide lamps applied to interior lighting systems. These lamps present the best light quality among the high intensity discharge lamps, and its compactness results a good choice for interior lighting systems application. The electrical characteristics of the high intensity discharge lamps are evaluated, and it is presented an alternative for supplying these lamps in a safe and reliable way. This alternative consists of using high frequency DC/DC converters in order to supply the lamp with a low frequency, symmetrical square waveform. A family of electronic ballasts is presented, which all the topologies are obtained from the differential connection of DC/DC converters. The analysis of these proposed and designed systems brings the main advantages and disadvantages of using each topology, related both to the components design and to the restrictions implied by each topology. Esse trabalho apresenta e analisa uma nova família de reatores eletrônicos capazes de acionar lâmpadas de multivapor metálico com tubo de descarga cerâmico. Essas lâmpadas apresentam, dentre as lâmpadas de descarga em alta pressão, a melhor qualidade do fluxo luminoso, além de se tratar de lâmpadas compactas, caracterizando-as como uma ótima alternativa a ser aplicada em sistemas de iluminação de ambientes interiores. As características das lâmpadas de descarga em alta pressão, com relação ao acionamento e controle, são avaliadas, e uma alternativa é apresentada para se alimentar tais lâmpadas de forma segura e confiável, através da utilização de conversores CC/CC operando em alta freqüência para alimentar a lâmpada com uma tensão quadrada, simétrica e em baixa freqüência. Dessa forma, uma família de reatores eletrônicos é apresentada, sendo que todas as topologias são derivadas da técnica de conexão diferencial de conversores CC/CC bidirecionais. O estudo de todos os sistemas propostos e implementados tem por finalidade caracterizar as principais vantagens e desvantagens do emprego de cada topologia apresentada, com relação ao dimensionamento de componentes e limitações impostas por cada topologia.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents a family of integrated electronic ballasts applied to the public lighting system. The electronic ballasts are designed to supply High-Pressure Sodium lamps according to the desired lamp operation characteristics. The viability of use High-Pressure Sodium lamps in the public lighting system of Santa Maria city is studied along this work. Another topic addressed, is the acoustic resonance phenomenon occurrence. It is explained based on a large number of works previously presented in the literature, in order to choose for a reliable method to supply the lamp. The incremental impedance of the High-Pressure Sodium lamp is defined in the frequency domain. This model is used to analyze the lamp and ballast interaction. The presented integrated electronic ballasts to supply High-Pressure sodium lamps take the advantage of low cost and simplicity providing a stable lamp operation. Este trabalho apresenta uma proposta de integração de conversores estáticos para alimentação de lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão (HPS), baseando-se, fundamentalmente, na viabilidade de aplicação deste tipo de lâmpadas a sistemas de iluminação pública. Ao longo do trabalho, é discutida a viabilidade de aplicação das lâmpadas HPS ao sistema de iluminação pública existente na cidade de Santa Maria- RS, evidenciando os parâmetros técnicos necessários ao projeto e desenvolvimento de reatores eletrônicos. A abordagem do fenômeno da ressonância acústica é feita de forma consistente, avaliando-se trabalhos previamente publicados, a fim de se chegar a um método confiável para se alimentar a lâmpada HPS sem a excitação deste fenômeno. Além disso, uma análise do modelo de pequenos sinais da lâmpada traz uma visão dos principais estágios a serem empregados no reator para garantir um funcionamento estável do sistema. A metodologia de integração proposta para alimentação de lâmpadas HPS, através de reatores eletrônicos, sem a excitação do fenômeno da ressonância acústica, busca a redução de custos e a simplicidade do sistema, sem deixar de considerar os procedimentos necessários a uma operação estável e confiável.

This dissertation describes the design and implementation of an emergency lighting system using Light Emitting Diodes (LED s). The system is composed by two integrated converters working as battery charger and LED s supplying. Power LED s were used, due to their high luminous flux and opening angle of 160°. System control and management are done through a microcontroller. The features of light emitting diodes are discussed in this work. The system is based on both Brazilian and international current emergency lighting systems standards, NBR10898, 1999 and IEEE Std 446, 1995, respectively Esta dissertação descreve o projeto e implementação de um sistema de iluminação de emergência utilizando Diodos Emissores de Luz (LED s). O sistema é composto por dois conversores integrados que possuem as funções de recarga da bateria e acionamento dos LED s. Os LED s utilizados nesta proposta são os LED s de potência, que tem um fluxo luminoso superior aos demais, e apresenta um ângulo de abertura de aproximadamente 160º. O controle e supervisão do sistema são realizados através de um microcontrolador. As características dos diodos emissores de luz são analisadas neste trabalho. O sistema é baseado nas normas para sistema de Iluminação de emergência ABNT, NBR 10898, 1999, norma brasileira e IEEE Std 446, 1995, norma internacional