Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Plataforma de Estudo para Reatores Eletrônicos
Reinaldo Tonkoski Jr., Felipe Martinazzo, Leonardo Godinho,
Júlio César Marques de Lima e Fernando Soares dos Reis
Interface Serial
com o μC
Resumo - Este trabalho tem como objetivo relatar os resultados obtidos no desenvolvimento de uma plataforma
flexível para o estudo de novos reatores eletrônicos e de novas técnicas de controle. A plataforma é baseada em
um sistema microcontrolado e em uma FPGA e é capaz de gerar sinais de comando para os dois transistores de
um inversor meia ponte. Para a implementação dos sinais de comando foi desenvolvido um hardware especifico
utilizando FPGA, responsável pela geração dos sinais de comando para os transistores MOSFETs, os quais podem
ser gerados em diferentes valores de freqüência de chaveamento e largura de pulso, liberando assim o
microcontrolador para as demais funções. A plataforma é programada através de um PC o que nos dá grande
flexibilidade permitindo, assim, estudar novas topologias para reatores, filtros, novas técnicas de controle e
dimmerização, bem como seu efeito sob o fenômeno da ressonância acústica nas lâmpadas de alta intensidade de
descarga (HID). Finalmente, serão apresentados os resultados experimentais para um reator eletrônico para
lâmpadas de 250 W de alta pressão de sódio (HPS). Neste trabalho enfoca-se especificamente as lâmpadas HPS,
entretanto esta plataforma pode ser utilizada para qualquer um dos tipos de lâmpadas de descarga.
I. INTRODUÇÃO
Existe hoje uma maior conscientização por parte das sociedades modernas da importância da preservação do
meio ambiente. Neste sentido importantes esforços tem sido feitos nas diversas áreas do conhecimento. Na
engenharia elétrica este fenômeno tem se refletido pela busca de sistemas alternativos de energia, por uma maior
eficientização dos recursos disponíveis, pela redução das perdas nos equipamentos e por um aumento da
qualidade da energia elétrica tanto do ponto de vista de quem fornece a energia bem como do ponto de vista do
consumidor.
As lâmpadas HPS, como qualquer outra lâmpada HID, necessitam de um reator para operarem corretamente. O
Reator é um equipamento auxiliar, ligado entre a rede e a lâmpada de descarga, com a finalidade de garantir a
ignição da lâmpada através da aplicação de uma tensão elevada entre seus eletrodos e de limitar a corrente que irá
circular por esta, do contrário, a lâmpada se destruiria rapidamente, devido a característica de apresentar uma
resistência negativa conforme pode ser observado na Figura 1.
Resistência Positiva
Corrente na
Lâmpada
Gerador de pulsos
implementado em
FPGA
CPU Microcontrolada - 8051
Figura 4. Interface do programa
desenvolvido em Delphi.
Referência de Clock de 4MHz
Figura 5. CPU microcontrolada da
família 8051.
Optoacopladores
Figura 6. Circuito gerador de sinais
baseado em PLL digital
implementado em FPGA.
A síntese dos sinais de comando dos transistores é obtida a partir de um sinal de referência de alta freqüência,
utilizando a técnica de síntese de freqüências baseado na implementação de um PLL digital. Assim, é obtida a
freqüência desejada a partir de uma freqüência bem mais elevada. Esta técnica é baseada em somadores e
contadores com passo programável. Partindo-se de uma referência de clock, e de uma entrada para valores de
freqüência e duty cycle desejados, o circuito PLL digital ajusta a freqüência de saída conforme a expressão:
Fout 
n  Fin
216
(1)
Este circuito PLL digital, implementado em uma FPGA, baseia-se no princípio de um acumulador de fase
ajustado mostrado na figura 8. A onda quadrada Fout é utilizada como referência para obtermos os sinais de
controle mostrados na figura 9. Esta modulação é realizada através da comparação de um contador com o duty
cycle programado, a partir deste momento já obtemos o sinal com a freqüência e duty cycle desejado. Logo em
seguida, este sinal é ajustado para termos um tempo morto entre a fase deste sinal e sua contra-fase. Este tempo
morto foi implementado digitalmente.
Acumulador de Fase
Resistência Negativa
Palavra de
Sintonia da
Freqüência
Referência
de Clock
Sintonia da
Freqüência
Tensão na
Lâmpada
Fin
Sdat
Interface
Serial do
C
Tensão de Ruptura
Sclk
Scom
Interface
Serial
Carrega
PLL
Digital

12
Fout 
16
Reg.
16
Conversão
Fase/Ampl.
Reg.
Fin * n
216
Carrega
Referência de
Clock
Estas lâmpadas apresentam diversas particularidades quando operam em alta freqüência, tais como:
• Podem ser modeladas por uma resistência fixa em regime permanente;
• Podem ter a intensidade luminosa controlada;
• Podem ter o seu espectro de reprodução de cores alterado;
• Apresentam o fenômeno da ressonância acústica, o qual pode resultar na extinção do arco até a destruição da
lâmpada;
A idéia de desenvolver uma plataforma flexível para o estudo e desenvolvimento de reatores eletrônicos surgiu
a partir da implementação de um protótipo de um reator LCC, para lâmpadas HPS, utilizando um controlador
dedicado a partir do CI 3524, onde se observou que era possível evitar o fenômeno da ressonância acústica
variando-se a freqüência de operação, também foi possível observar neste protótipo que bruscas variações na
freqüência de operação resultavam em alterações na reprodução de cor.
Para tal, foi desenvolvido um inversor meia ponte com circuito de controle maleável baseado em sistema
microcontrolado capaz de gerar sinais de comando para os dois transistores. Os sinais de comando são gerados
utilizando-se uma FPGA, sendo este um hardware autônomo para a geração dos sinais de freqüência (FM) e
largura de pulso (PW) que comandam os transistores, liberando o microcontrolador para outras aplicações. O
sistema dedicado baseado em FPGA permite-se trabalhar em diferentes regiões de freqüência. Por exemplo, se for
utilizado um cristal de 4 MHz a faixa de freqüência de saída será de 61 Hz a 250 kHz, o controle da razão cíclica
pode ser feito de 0 a 100% em 16 combinações diferentes para largura de pulso, permitindo um total controle do
sistema. Esta plataforma pode ser utilizada para o comando de inversores push-pull, ponte e meia ponte. Neste
artigo foi implementado um inversor meia ponte.
II. PLATAFORMA DE CONTROLE PARA REATORES
A estrutura desta plataforma, apresentada na figura 2, incorpora um filtro de entrada LC, um circuito soft start
para limitar a corrente de arranque, um pré regulador de fator de potência, um circuito de controle (μC & FPGA),
um inversor de potência, um circuito optoacoplador de acionamento e um filtro ressonante.
Figura 7 – Gerador de sinais de comando com tempo
morto ajustável.
III. DRIVER DE ACIONAMENTO
µ Controlador
Digital em FPGA
Figura 8 – PLL Digital implementado em FPGA.
A PCR foi desenvolvida de forma a trabalhar com inversores de meia-ponte, podendo inclusive comandar
inversores em ponte completa com poucas modificações. Na figura 10, é mostrado como foi elaborado o
acionamento para uma meia ponte. Para fornecermos os sinais de controle apropriados para os Mosfet’s foi
utilizado o Driver CI IR2110.
fin
Contador de
N-Bits
A
Comparador A>B
B
Sintonia da
Razão Cíclica
Carrega
Saída dos
Sinais de
Comando
Registrador
Duty Cycle
Figura 9 – Gerador de sinais PWM.
Figura 10 – Driver inversor e meia ponte.
IV. PROJETO DO REATOR
Para verificar a performance da PCR foi implementado um reator para lâmpadas de 250 W de Alta pressão de
Sódio (HPS). O PFP implementado é um conversor Boost trabalhando na condição limiar entre o modo de
condução contínuo e descontínuo. Conseqüentemente, este, trabalha no modo FM; O PFP possui uma entrada
universal de 100 a 240 V e fornece 250 W para uma tensão na saída de 400 V. Para a implementação do reator LCC
foi escolhida a freqüência de chaveamento de 68 kHz. Através dos dados fornecidos pelo fabricante, a tensão
necessária para este tipo de lâmpada é de 100 VRMS em operação. Para o projeto dos elementos ressonantes do
reator LCC (Figura 11), foi desenvolvido um ábaco (Figura 12) onde entramos com a relação de impedância
desejada e obtemos o fator de qualidade do Indutor e assim calcularmos os valores dos capacitores série e
paralelo do reator.
V. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Optoacoplador &
Circuito Driver
Para o
Circuito
Driver
Figura 11 – Reator LCC.
Soft Start
PFP
Circuito PLL / PWM
Tempo Morto
Ajustável
PLL Digital
Figura 2. Diagrama de Blocos da PCR.
Computador
RS-232
Freqüência
Variável
PWM

Figura 1.Curva típica de tensão x corrente para lâmpadas HID.
Carrega

Razão Cíclica
Sinais de Comando
Gerador de Pulsos
Figura 3. Gerador de pulsos de comando.
A figura 3 mostra o diagrama de blocos do gerador de pulsos da PCR. O gerador de pulsos consiste em três
circuitos: um circuito microcontrolado, que é responsável pela implementação das técnicas de controle e pela
interface entre o computador pessoal e os sinais de comando para o chaveamento dos transistores. O
Microcontrolador possui interface serial RS-232 com o PC. Os sinais de chaveamento são gerados utilizando-se
um circuito sintetizador digital de freqüência [6] baseado em um circuito PLL digital que foi implementado em uma
FPGA da Altera (EPM7064). O microcontrolador realiza as tarefas de controle sozinho, porém é possível utilizar-se
programas de PC para realizar o controle da FPGA diretamente. O terceiro circuito é um circuito optoacoplador que
isola a parte de controle do sistema da parte de potência utilizando 74OL6010 e um circuito driver utilizando-se o
IR2110. A PCR permite-se testar e avaliar novas estruturas de potência e novas técnicas de controle para reatores
eletrônicos.
Figura 12 –Gráfico da impedância em função de Ql para
diferentes valores de A.
O sistema de controle digital foi implementado e na figura 13 é apresentado o resultado para uma freqüência de
100 kHz e, em seguida, os resultados apresentados confirmam a operacionalidade do sistema desenvolvido.
Para validar o sistema proposto foi implementado um reator eletrônico com as seguintes especificações:
potência da lâmpada 250 W, tensão do barramento CC 400 V e freqüência mínima de operação 68 kHz. Os valores
dos elementos ressonantes utilizados foram obtidos e utilizados na implementação de um Filtro LCC ressonante
sintonizado. Estes são: L = 220 μH, Cs = 55 nF implementado com 5 capacitores de 11 nF em paralelo, Cp = 2,73 nF
implementado utilizando-se 3 capacitores de 8,2 nF ligados em série. Neste tipo de circuito a partida da lâmpada é
crítica pois se trata de um circuito sintonizado e seus elementos passivos podem ter seus valores alterados em
função da temperatura, envelhecimento e detalhes construtivos no caso do indutor. Desta forma o sistema EBP
contorna este problema fazendo com que a freqüência de partida não seja fixa mas sim varie entorno do valor
nominal, de 68 kHz neste caso. Na figura 14 são mostradas, respectivamente, tensão e corrente na lâmpada, onde
podemos observar sua característica resistiva. Na figura 15 é mostrada a potência consumida na lâmpada
indicando que foram atingidos os 250 W permitidos para a mesma.
A PCR permite criar programas diferentes para comandá-la onde podem ser implementadas diferentes
estratégias de controle para comandar a lâmpada. Por exemplo, nosso circuito pode implementar ondas com
variação de freqüência senoidais, triangulares, quadradas e programadas ponto a ponto. A PCR permite investigar
novas técnicas de controle com a finalidade de evitar a ressonância acústica e obter novos espectros de
reprodução de cores.
O Circuito de controle desenvolvido para esta aplicação está apresentado nas figuras 5 e 6. Este circuito foi
baseado no Microcontrolador AT89C52 da família 8051 da Atmel. O circuito PLL digital gerador dos sinais de
comando, figura 6, é baseado em uma FPGA que recebe os valores referentes a freqüência e largura de pulso do
circuito microcontrolador (μC), serialmente, e assim modula o sinal de saída nas condições desejadas com tempo
morto programável.
O circuito PLL digital encontra-se apresentado na figura 7. Este circuito necessita receber duas palavras de
programação para ajuste da freqüência e do ciclo de trabalho, provenientes do μC. A partir do recebimento destas
duas palavras referentes a programação da freqüência e da largura de pulso necessárias, o Circuito PLL Digital
gera uma onda retangular de acordo com estas especificações.
Figura 13 – Sinais no driver inversor.
Figura 14 – Tensão e corrente na
Figura 15 – Potência Instantânea na
lâmpada para uma freqüência de 65 kHz.
lâmpada.
VI. Conclusões
Foi desenvolvida uma plataforma flexível para o controle de reatores eletrônicos. Para implementação da
plataforma foram utilizados circuitos baseados em microcontrolador e FPGA capazes de gerar os sinais de
comando para os transistores do inversor. Este trabalho está inserido em uma proposta de otimização dos
recursos energéticos. Esta plataforma busca dar flexibilidade para o desenvolvimento de novas técnicas de
controle para os reatores eletrônicos. Os resultados experimentais obtidos validaram o estudo.