Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis proposes a design of a power supply for high-pressure discharge lamps based on a high efficiency and high power factor electronic ballast, without exciting the intrinsic acoustic resonance. The ballast consists on a bipolar buck chopper operating in continuous conduction mode (CCM), with an input filter, and an igniter circuit. It works with a switching frequency of 33 kHz and supplies the lamp in the mains frequency. The igniter circuit provides the necessary high voltage for the lamp's startup initial procedure. It is controlled by an 8 bits microcontroller, thus contributing to reduction in the number of parts and the ballast final cost, without compromising its reliability. Two possible solutions for an igniter circuit are proposed, the first based on a igniter device, and the second on a LC resonant circuit. A study on the ignition process and the required circuits to guarantee it, and a brief review on the electrical characteristics of electromagnetic ballasts are also included as secondary contributions. Experimental results with a 70W HPS lamp supplied by a 220V±20% and 60 Hz mains, are presented to validate the proposed ballast. The behavior of the experimental ballast shows that it is a good choice in avoiding unstable effects provoked by acoustic resonance phenomenon. / Esta dissertação apresenta o projeto de uma fonte de alimentação para lâmpadas de descarga em alta pressão baseada em um reator eletrônico com alto rendimento e ótimo fator de potência que não excita de forma destrutiva a ressonância acústica (AR). O reator consiste de um conversor buck bipolar operando em modo continuo (CCM), com filtro de entrada acoplado e com um circuito de ignição. O conversor opera em 33 kHz e alimenta a lâmpada em freqüência de rede. O circuito de ignição fornece a alta tensão para a formação inicial do arco elétrico. O controle do reator é implementado em um microcontrolador de 8 bits, o que contribui com a redução do número de componentes e do custo final do sistema, sem prejudicar a confiabilidade do mesmo. Duas propostas de circuito de ignição são apresentadas, uma baseada em um dispositivo ignitor, e a segunda em um circuito LC ressonante. Uma breve revisão e avaliação das características elétricas do reator eletromagnético é também apresentada a título de comparação. Um estudo do processo de ignição e os circuitos necessários a formação do arco é também incluído. Resultados experimentais para uma lâmpada HPS de 70W alimentada a partir de uma rede de 220V±20% e 60Hz são apresentados para validar o reator proposto e demonstram que este é uma boa escolha para evitar os efeitos danosos do fenômeno da ressonância acústica.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis proposes to improve the efficiency of public illumination systems by means of AC chopper based power converters. A comparative study of high performance AC/AC converters feeding high pressure sodium lamps on mains frequency is presented. These converters are obtained using standard DC/DC topologies with bi-directional switches (four quadrants). A high pressure lamp ballast design methodology is also presented, based on the suppositions of high input power factor and without exciting acoustic resonances at destructive levels. The topologies used are the Buck-Boost, Ćuk, SEPIC and ZETA operating on continuous current mode, with or without input filter, and an ignition circuit. The converters' switching frequencies are 33 kHz feeding the lamp at low frequency (mains frequency). The ignition circuit providing the high voltage required to guarantee the initial arc to start-up the lamp, is presented, analyzed and optimized in the thesis. To control the ballast a 32 bits microcontroller is used, contributing to reduce the component count and the overall system cost. The base to propose a new control design methodology and power circuit parts specification is the Brazilian standards and a comparison with the electromagnetic ballasts output waveforms. Experimental results supplying a 70 W HPS lamp, connected to the mains (220 V ±20% e 60 Hz) through the proposed ballasts, are presented in order to validate the thesis. / Este trabalho visa aprimorar os sistemas de iluminação pública aplicando reatores eletrônicos baseados em conversores CA/CA. Apresenta-se um comparativo entre conversores tradicionais CC/CC, aplicando a eles interruptores bidirecionais em tensão e corrente, de modo a alimentar a lâmpada de alta pressão de sódio na frequência da rede de alimentação, formando um conversor estático CA/CA com alto rendimento. Apresenta uma metodologia de projeto para fonte de alimentação de lâmpadas de descarga em alta pressão baseada em reatores eletrônicos com alto rendimento e elevado fator de potência, que não excitam de forma destrutiva a ressonância acústica (AR). O reator consiste dos conversores Buck-Boost, Ćuk, SEPIC e ZETA bipolares operando por modulação de largura de pulso (PWM) em modo de condução de corrente contínua (CCM), com ou sem filtro de entrada acoplado e com um circuito de ignição. O conversor opera em 33 kHz e alimenta a lâmpada na frequência da rede. O circuito de ignição fornece a alta tensão para a formação inicial do arco elétrico e neste trabalho de doutoramento foi equacionado e otimizado quando comparado ao modelo tradicional. O controle do reator é implementado em um microcontrolador de 32 bits, o que contribui com a redução do número de componentes e do custo final do sistema, sem prejudicar a confiabilidade do mesmo. As formas de onda de saída de reatores eletromagnéticos e as normas vigentes servem de base para o dimensionamento dos componentes e a obtenção de uma nova metodologia de controle. Resultados experimentais para uma lâmpada HPS de 70 W alimentada a partir de uma rede de 220 V ±20% e 60 Hz são apresentados para validar os reatores propostos.

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.