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Este trabalho propõe um sistema inteligente de iluminação pública utilizando diodos emissores de luz (LEDs). Neste âmbito, é proposta uma topologia para o acionamento dos LEDs com controle de intensidade luminosa. Além disso, funções adicionais são propostas de modo a expandir o conjunto de funcionalidades da luminária. Para o acionamento dos LEDs foi desenvolvido um conversor baseado na topologia Ćuk operando em modo de condução descontínuo (DCM) com um interruptor estático em série com a carga, sendo uma solução para o acionamento de LEDs de estágio único. Deste modo, este conversor foi projetado para desempenhar simultaneamente as funções de correção do fator de potência e controle da potência na carga. Através da análise da resposta fotométrica dos diodos emissores de luz perante ondulações de baixa frequência em sua corrente, foi possível criar uma metodologia de projeto que evita o uso de capacitores eletrolíticos no circuito de acionamento dos LEDs, aumentando assim a confiabilidade do sistema. A modelagem e o controle do conversor também foram feitas e estão mostradas no trabalho. De modo a controlar e gerenciar o sistema eletrônico da luminária, foi proposta uma arquitetura baseada no microcontrolador TM4C123GE6PM. Este sistema digital é responsável ainda por promover outras funcionalidades como controle automático de intensidade luminosa, proteção do circuito e ainda monitoramento de parâmetros de qualidade de energia da tensão de entrada do conversor, tais como afundamentos e elevações. A fim de avaliar experimentalmente o sistema proposto, foram desenvolvidos um programa de computador capaz de gerenciar as funcionalidades da luminária e um protótipo de 70W deste equipamento. Os resultados experimentais obtidos mostraram um bom desempenho tanto do circuito de acionamento dos LEDs, como das funcionalidades da luminária. This paper proposes a smart lighting system based on light-emitting diodes (LEDs) for street lighting applications. In this context, a power converter with dimming capability was designed. Furthermore, additional functions are proposed in order to expand the feature set of the luminaire. To drive the LEDs, a topology based on Ćuk converter operating in discontinuous conduction mode (DCM) with an electronic switch in series with the load was proposed. This converter was designed to perform simultaneously the functions of power factor correction and power control, being a single-stage LED driver solution. By analyzing the LEDs photometric response due to low-frequency current ripple, a design methodology that avoids the use of electrolytic capacitors in the proposed converter was developed. The modeling and control of the converter were also done in order to ensure that the system is always operating within the desired specifications. To control and manage the electronic system of the luminaire, it was developed an architecture based on the microcontroller TM4C123GE6PM. Beside the aforementioned functions, this digital system was designed aiming the promotion of other features, such as automatic dimming, protection of the driver and even monitoring some power quality parameters related to the input voltage, such as sags and swells. In order to experimentally evaluate the proposed system, a software, able to manage the luminaire functionalities, and a 70W prototype were built. The experimental results demonstrated a good performance of the LED driver as well as the functionalities of the proposed luminaire.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - This work presents a family of Resonant Switched Capacitor (RSC) dc-dc converters operating as both high efficiency power converter and fast-response data transmitter for Visible Light Communications (VLC) applications. By operating under soft-switching, the topologies allow for higher switching frequency and higher slew rate, so that the VLC functionality can be embedded into the power stage without an auxiliary switch, which it is a major efficiency bottleneck for higher transmission rates due to its inherent hardswitching operation. This justify new efforts in enabling Pulse-Based Transmission (PBT) without this additional switch. Seven fast-response resonant converters are presented in this work, implemented with a proposed Switched Capacitor Cell and inspired on classic DC-DC topologies (Buck, Boost, Buck-Boost, Flyback, Cuk, SEPIC and Zeta). A 10 W prototype was built to demonstrate such feasibility, operating at a switching frequency of 500 kHz, resulting in nominal efficiency of 85% during data transmission under VPPM scheme, achieving up to 100 kpbs for various brightness levels, over a distance up to 1 m. Given the switching frequency conditions, this prototype is realized using GaN-FETs and Schottky diodes.

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.

Este trabalho mostra o estudo do conversor Ćuk em sua topologia isolada no modo de condução descontínua. São apresentadas as principais relações do conversor, bem como a análise da indutância de magnetização em relação às demais indutâncias. O conversor é abordado para o dimensionamento de um driver (conversor ca-cc de elevado fator de potência) para LEDs, sendo realizada a sua modelagem e especificada uma malha de controle. Com as análises obtidas, foram realizadas simulações com o intuito de verificar o comportamento do conversor, e posteriormente, comparar com o comportamento encontrado no protótipo construído. Assim, com o modelo proposto foi obtido o fator de potência de 0,998 e a taxa de distorção harmônica de 6,78% na corrente de entrada do driver. This paper shows the study of the Ćuk converter in its isolated topology in the discontinuous conduction mode. It is presented the main relations of the converter, as well as the analysis of the magnetizing inductance with respect to the other inductances. The converter is analyzed for the sizing of a driver (high power factor ac to dc converter) for LEDs, being carried out its modeling and specified a control loop. With the analyzes obtained, simulations were performed with the purpose of verifying the behavior of the converter, and later, to compare with the behavior found in the experimental prototype. Thus, with the proposed model, the power factor of 0.998 and the harmonic distortion rate of 6,78% in the input current of the driver were obtained.