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 / This work presents a detailed analysis about the interleaved buck converter applied to electronic ballasts to supply high power HID lamps, assuming the input voltage as a PFC stage output. As the output capacitor has a maximum value to be applied in parallel with the lamp, parallel operated converters are a suitable choice because the output current ripple cancellation characteristic. Besides, the output current ripple cannot be greater than 5% of the nominal current to avoid acoustic resonance phenomena. Also, interleaved converters allow magnetic and semiconductors losses reduction. The applied topology was the interleaved buck converter, because its inherent characteritstic of the output as a current source. A generalized model for the IBC operating in CCM was obtained, including inductors and semiconductors losses, besides an analysis to achieve the optimum point of design in terms of efficiency, size and complexity of implementation. To apply the IBC in CCM supplying HID lamps, it is necessary inductors current control, which means to guarantee a current source behavior of the converter. For that, two current control loop were designed, one for each inductor being measured via a shunt resistor located at the circuit input. Also, stability was analyzed based on impedance criterion. Finally, complete electronic ballast was presented, gathering a two-cell IBC, full-bridge inverter, measuring circuits for current and voltage and an external circuit for the correct delay of the IBC MOSFETs gate signals. Obtained experimental results were satisfatory, showing equal current sharing, once warm-up stage and closed-loop implementation were via an 8-bits microcontroller. / Este trabalho apresenta uma análise detalhada do conversor buck intercalado como reator eletrônico aplicado à alimentação de lâmpadas de descarga em alta pressão (HID) de alta potência, assumindo a entrada como a saída de uma etapa de correção de fator de potência (PFC). A característica de diminuição da ondulação da corrente de saída de conversores operando em paralelo é uma grande vantagem, pois o capacitor em paralelo com a lâmpada tem um valor limite a fim de garantir a estabilidade do sistema. Aliada a essa condição, a ondulação de corrente na lâmpada não pode ultrapassar 5% da corrente nominal para garantir que não ocorra o fenômeno da ressonância acústica de forma destrutiva. Além disso, permitem redução de perdas magnéticas e nos semicondutores, além de apresentar diminuição na ondulação da corrente de saída através da defasagem dos sinais de comando dos interruptores, diminuindo o capacitor de saída a ser empregado. Em termos de análise do conversor buck intercalado (IBC), foi obtida uma modelagem generalizada para o conversor operando em modo de condução contínua (CCM) incluindo as perdas nos interruptores, indutores e diodo. Também foi realizada uma análise de ponto ótimo de projeto contemplando tamanho, eficiência e complexidade de implementação. Para a utilização do IBC em CCM na alimentação de lâmpadas HID é necessário o controle de corrente dos indutores, ou seja, garantir que o conversor tenha o comportamento semelhante à uma fonte de corrente. Para tal, foram utilizadas duas malhas de controle de corrente, uma para cada indutor, sendo o sinal de controle medido através de um resistor shunt localizado na entrada do conversor. Ainda, foi apresentada uma análise de estabilidade baseada na relação entre as impedâncias da lâmpada e do conversor, com realimentação em modo corrente. Finalmente, o reator completo foi apresentado, constituído do IBC com duas células, inversor full-bridge, circuito inibidor para defasagem dos sinais de comando do IBC e o circuito de medição das correntes e tensão. Os resultados experimentais obtidos foram satisfatórios, com correntes equilibradas, uma vez que o IBC com malha fechada em ambos os indutores foi implementado com um microcontrolador de 8-bits, com frequência de barramento de 16 MHz.

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.

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.

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.

Submitted by isabela.moljf@hotmail.com (isabela.moljf@hotmail.com) on 2017-03-02T14:35:50Z No. of bitstreams: 1 claudiorobertobarbosasimoesrodrigues.pdf: 2278203 bytes, checksum: ededd970b17fc08adbb3d55174389663 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-06T19:43:31Z (GMT) No. of bitstreams: 1 claudiorobertobarbosasimoesrodrigues.pdf: 2278203 bytes, checksum: ededd970b17fc08adbb3d55174389663 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-06T19:43:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 claudiorobertobarbosasimoesrodrigues.pdf: 2278203 bytes, checksum: ededd970b17fc08adbb3d55174389663 (MD5) Previous issue date: 2009-04-16 / FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Este trabalho apresenta a proposta de um reator eletrônico ressonante dedicado à realização de testes de funcionalidade básica de lâmpadas de vapor de sódio e de vapor de mercúrio em alta pressão. Os testes são realizados com potência reduzida visando economizar energia elétrica e minimizar o ofuscamento dos operadores. O reator proposto é parte integrante de um sistema de reatores eletrônicos que deve substituir um conjunto de reatores eletromagnéticos utilizados em uma bancada de testes de componentes de iluminação pública. A utilização do conjunto de reatores substitutos propiciará a redução do peso e do volume da bancada, facilitando sua confecção em escala. O trabalho inclui um estudo teórico sobre lâmpadas de descarga de alta intensidade (HID) e sobre o fenômeno da ressonância acústica, que pode acometer estas lâmpadas quando são alimentadas em alta freqüência. O estudo sobre reatores eletrônicos para lâmpadas HID apresentado enfatiza o reator eletrônico série-paralelo ressonante. Este reator é utilizado neste trabalho para a realização dos testes com potência reduzida das lâmpadas de vapor de sódio em alta pressão de 70W e vapor de mercúrio em alta pressão de 125W sem a excitação do fenômeno da ressonância acústica e sem a necessidade de modificação de nenhum parâmetro do circuito. Para isto, foi desenvolvida uma metodologia para que o projeto do circuito ressonante série-paralelo pudesse atender ambas as lâmpadas em operação dimerizada. Apresentam-se ainda resultados experimentais dos testes realizados com o reator implementado. / This work presents a proposal of a resonant electronic ballast intended for the basic functionally testing of high pressure sodium and mercury lamps. The tests are performed with reduced power in order to save energy and to minimize operators’ glare effect. The proposed ballast is part of an electronic system that would replace a number of electromagnetic ballasts used in a lighting components bench test equipment. The use of this electronic system will provide the reduction of the weight and volume of the bench test equipment, favoring its commercial production. Theoretical studies about high intensity discharge lamps and acoustic resonance phenomenon, which can affect those kind of lamps in high frequency operation, are accomplished. The study of electronic ballasts for HID lamps presented emphasizes the series-parallel load resonant ballast. This ballast is used in this work for testing 70W high pressure sodium lamps and 125W high pressure mercury vapour lamps with reduced power, without exciting the acoustic resonance phenomenon and with no need of any circuit parameter modification. For this purpose, it was developed a design methodology of the series-parallel resonant circuit aiming dimmed operation of both lamps. Experimental results of tests performed with the implemented ballast are also included.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This thesis presents an electronic ballast prototype to supply high-pressure sodium lamps used in public lighting. The goal is to develop a commercial approach able to replace the still commonly used electromagnetic ballasts, performing improvements in the public lighting system. Along this thesis, the state of art in lighting area is presented, especially in public lighting. Following, a bibliographic review about electronic ballasts to supply highpressure sodium lamps is done. Special attention is given to the low frequency square waveform supplying method, which is used in this thesis. Also, the features desired in electronic ballasts so they can operate the lamp reliably and according to the standards are discussed. From this review, the proposed topology is defined and its design is presented. A discrete control method is developed to guarantee the safe operation of the ballast during all lamp stages. A microcontroller is used to perform the control routines. Finally, experimental results are obtained, validating the proposed work. / Este trabalho apresenta uma proposta de sistematização do projeto de um reator eletrônico para alimentação de lâmpadas de vapor de sódio em alta pressão, para aplicação em iluminação pública. Com isto, pretende-se criar um dispositivo que venha a substituir os reatores eletromagnéticos, ainda comumente utilizados nesta aplicação, de modo a proporcionar melhorias nos atuais sistemas de iluminação pública. Ao longo deste trabalho, é feita uma revisão do estado da arte na área de iluminação, dando ênfase à iluminação pública. Em seguida, é apresentada uma revisão bibliográfica acerca dos métodos de alimentação de lâmpadas de vapor de sódio a partir de reatores eletrônicos, destacando-se a alimentação deste tipo de lâmpada com forma de onda quadrada em baixa freqüência, método utilizado neste trabalho. Também são discutidas as características que um reator eletrônico deve possuir para enquadrar-se nas normas vigentes e alimentar a lâmpada de forma confiável. A partir desta revisão, a topologia proposta é definida e seu projeto é apresentado. Uma metodologia de controle discreto é desenvolvida de forma a garantir a operação adequada do reator durante todas as etapas de funcionamento da lâmpada. Um microcontrolador é utilizado para executar as rotinas de controle. Finalmente, resultados experimentais são obtidos, de forma a validar o trabalho proposto.