Controladores led CA-CCde dupla função com VLC e interruptor único
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Data de Publicação: | 2023 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFJF |
Texto Completo: | https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/16625 |
Resumo: | Este documento apresenta a tese de doutorado que tem como objetivo aportar contribuições na área de transmissores para comunicação por luz visível (VLC), propondo drivers de LED alimentados a partir da rede elétrica CA com interruptor único, que tenham dupla funcionalidade: iluminação e transmissão de dados. O trabalho apresenta alternativas que buscam atender à gama de aplicações que requerem baixa taxa de transmissão de dados utilizando modulação baseada em FSK (do inglês, Frequencyshift keying). A primeira alternativa de transmissor VLC é baseada em um circuito de correção de fator de potência (PFC) flyback operando em modo de condução descontínua (DCM). A regulação da corrente média de saída e a modulação dos dados são alcançadas simultaneamente pela modulação do sinal PWM (do inglês, Pulse-width modulation), que aciona o interruptor do conversor flyback. Para que seja possível a transmissão de dados, um filtro rejeita-faixa de terceira ordem e uma malha de controle antecipatória (feedforward) foram utilizados. Esta estratégia mantém a simplicidade da topologia convencional enquanto habilita a funcionalidade de transmissor VLC com um número reduzido de componentes. Resultados experimentais foram obtidos de um protótipo de 14 W, alimentado a partir da rede elétrica de 127-V 60-Hz, para verificar a viabilidade e o desempenho do transmissor VLC, por meio do qual foi possível transmitir dados a uma taxa de dados de 15 kb/s para uma distância de até 2 m com uma eficiência global de 93,3%. Em seguida, foi efetuado um estudo de desempenho do sistema VLC para três diferentes tipos de formas de ondas, no qual foi possível verificar que a onda quadrada apresenta menor susceptibilidade a interferências. Assim, a segunda alternativa de transmissor VLC consiste da topologia buck-boost flyback integrada. Nesta estrutura o estágio PFC opera em DCM para manter elevado fator de potência, e o estágio PC não possui capacitor na saída e opera em modo de condução contínua (CCM), que possibilita forma de onda quadrada na corrente dos LEDs sem a inserção de um interruptor adicional. Resultados experimentais foram obtidos para um protótipo de 35 W, alimentado a partir de uma entrada universal (90 a 264-V 60 Hz), para verificar o funcionamento em toda a faixa de operação e o desempenho do transmissor VLC na condição nominal de tensão de entrada. Foi verificado que é possível transmitir dados com taxa de até 248 kb/s para uma distância de até 3 m com eficiência global de no máximo 82,7%. Por fim, são discutidas as principais contribuições da tese e algumas propostas para trabalhos futuros são apresentadas. |
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A primeira alternativa de transmissor VLC é baseada em um circuito de correção de fator de potência (PFC) flyback operando em modo de condução descontínua (DCM). A regulação da corrente média de saída e a modulação dos dados são alcançadas simultaneamente pela modulação do sinal PWM (do inglês, Pulse-width modulation), que aciona o interruptor do conversor flyback. Para que seja possível a transmissão de dados, um filtro rejeita-faixa de terceira ordem e uma malha de controle antecipatória (feedforward) foram utilizados. Esta estratégia mantém a simplicidade da topologia convencional enquanto habilita a funcionalidade de transmissor VLC com um número reduzido de componentes. Resultados experimentais foram obtidos de um protótipo de 14 W, alimentado a partir da rede elétrica de 127-V 60-Hz, para verificar a viabilidade e o desempenho do transmissor VLC, por meio do qual foi possível transmitir dados a uma taxa de dados de 15 kb/s para uma distância de até 2 m com uma eficiência global de 93,3%. Em seguida, foi efetuado um estudo de desempenho do sistema VLC para três diferentes tipos de formas de ondas, no qual foi possível verificar que a onda quadrada apresenta menor susceptibilidade a interferências. Assim, a segunda alternativa de transmissor VLC consiste da topologia buck-boost flyback integrada. Nesta estrutura o estágio PFC opera em DCM para manter elevado fator de potência, e o estágio PC não possui capacitor na saída e opera em modo de condução contínua (CCM), que possibilita forma de onda quadrada na corrente dos LEDs sem a inserção de um interruptor adicional. Resultados experimentais foram obtidos para um protótipo de 35 W, alimentado a partir de uma entrada universal (90 a 264-V 60 Hz), para verificar o funcionamento em toda a faixa de operação e o desempenho do transmissor VLC na condição nominal de tensão de entrada. Foi verificado que é possível transmitir dados com taxa de até 248 kb/s para uma distância de até 3 m com eficiência global de no máximo 82,7%. Por fim, são discutidas as principais contribuições da tese e algumas propostas para trabalhos futuros são apresentadas.This document proposes a doctoral thesis that aims to contribute to the development of visible light communication (VLC) transmitters by developing dual-purpose LED drivers, powered from the AC mains with a single switch, that enables both lighting and data transmission. The proposed solutions present new approaches for low-data-rate transmitters using FSK (Frequency-shift keying) modulation. The first VLC transmitter alternative is based on power factor correction (PFC) flyback circuit operating in discontinuous conduction mode (DCM). The role of the converter is to regulate the average output current via the duty cycle value for lighting purposes and to modulate digital data by means of the first switching harmonic of the output current. Both features can be achieved simultaneously by modulating the PWM signal fed to the single-switch of the flyback converter. In order to allow for the transmission of VLC data, the converter output low-pass filter has been replaced by a 3rd order bandstop (notch) filter and an additional feedforward loop was introduced. This strategy maintains the simplicity of the original topology while granting it the functionality of transmitting VLC data with a reduced component count. Experimental results taken from a 14-W prototype supplied from a 127-V 60-Hz grid were carried out in order to verify the modulation scheme and the feasiblity of the VLC transmitter, which was able to transfer data with a bit rate of 15 kb/s over a distance of 2 m with a global efficiency of 93.3%. Following this, a performance study of the VLC system was carried out for three different types of waveform, revealing that the square wave is less susceptible to noise. The second VLC transmitter alternative employs a buck-boost flyback topology. This configuration utilizes a PFC stage operating in DCM mode to achieve a high power factor and a PC stage operating in CCM mode without an output capacitor. This setup enables a square waveform in the LED current without the need for an additional switch. Comprehensive experimental results were obtained for a 35 W prototype powered from a universal input (90 to 264-V 60 Hz), validating the operation across the entire operating range and evaluating the performance of the VLC transmitter under nominal input voltage conditions. These results demonstrate the feasibility of achieving data transmission rates of up to 248 kb/s over a distance of up to 3 m with an overall peak efficiency of 82.7%. Finally, the main contributions of the thesis are discussed and some proposals for future work are presented.porUniversidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)Programa de Pós-graduação em Engenharia ElétricaUFJFBrasilFaculdade de EngenhariaAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAComunicação por luz visível (VLC)Conversor flybackDiodos emissores de luz (LED)Correção de fator de potência (PFC)Comunicação digitalModulação baseada em FSKVisible light communications (VLC).Visible light communications (VLC).Flyback converter. Light-emitting diode (LED). Power factor correction (PFC). Digital communication. FSK-based modulationControladores led CA-CCde dupla função com VLC e interruptor únicoinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFJFinstname:Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)instacron:UFJFORIGINALlucashenriquegomesresende.pdflucashenriquegomesresende.pdfPDF/Aapplication/pdf6206550https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/16625/1/lucashenriquegomesresende.pdf215e7db009b3ad7e65d5f1b7bb5cd5caMD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8805https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/16625/2/license_rdfc4c98de35c20c53220c07884f4def27cMD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/16625/3/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD53TEXTlucashenriquegomesresende.pdf.txtlucashenriquegomesresende.pdf.txtExtracted texttext/plain227873https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/16625/4/lucashenriquegomesresende.pdf.txt569daa5a724f0ff9081f5e22d8703c4cMD54THUMBNAILlucashenriquegomesresende.pdf.jpglucashenriquegomesresende.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1162https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/16625/5/lucashenriquegomesresende.pdf.jpga261ba5f0512059c4254a26868ceba8aMD55ufjf/166252024-02-21 03:04:09.561oai:hermes.cpd.ufjf.br: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Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufjf.br/oai/requestopendoar:2024-02-21T06:04:09Repositório Institucional da UFJF - Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)false |
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Este documento apresenta a tese de doutorado que tem como objetivo aportar contribuições na área de transmissores para comunicação por luz visível (VLC), propondo drivers de LED alimentados a partir da rede elétrica CA com interruptor único, que tenham dupla funcionalidade: iluminação e transmissão de dados. O trabalho apresenta alternativas que buscam atender à gama de aplicações que requerem baixa taxa de transmissão de dados utilizando modulação baseada em FSK (do inglês, Frequencyshift keying). A primeira alternativa de transmissor VLC é baseada em um circuito de correção de fator de potência (PFC) flyback operando em modo de condução descontínua (DCM). A regulação da corrente média de saída e a modulação dos dados são alcançadas simultaneamente pela modulação do sinal PWM (do inglês, Pulse-width modulation), que aciona o interruptor do conversor flyback. Para que seja possível a transmissão de dados, um filtro rejeita-faixa de terceira ordem e uma malha de controle antecipatória (feedforward) foram utilizados. Esta estratégia mantém a simplicidade da topologia convencional enquanto habilita a funcionalidade de transmissor VLC com um número reduzido de componentes. Resultados experimentais foram obtidos de um protótipo de 14 W, alimentado a partir da rede elétrica de 127-V 60-Hz, para verificar a viabilidade e o desempenho do transmissor VLC, por meio do qual foi possível transmitir dados a uma taxa de dados de 15 kb/s para uma distância de até 2 m com uma eficiência global de 93,3%. Em seguida, foi efetuado um estudo de desempenho do sistema VLC para três diferentes tipos de formas de ondas, no qual foi possível verificar que a onda quadrada apresenta menor susceptibilidade a interferências. Assim, a segunda alternativa de transmissor VLC consiste da topologia buck-boost flyback integrada. Nesta estrutura o estágio PFC opera em DCM para manter elevado fator de potência, e o estágio PC não possui capacitor na saída e opera em modo de condução contínua (CCM), que possibilita forma de onda quadrada na corrente dos LEDs sem a inserção de um interruptor adicional. Resultados experimentais foram obtidos para um protótipo de 35 W, alimentado a partir de uma entrada universal (90 a 264-V 60 Hz), para verificar o funcionamento em toda a faixa de operação e o desempenho do transmissor VLC na condição nominal de tensão de entrada. Foi verificado que é possível transmitir dados com taxa de até 248 kb/s para uma distância de até 3 m com eficiência global de no máximo 82,7%. Por fim, são discutidas as principais contribuições da tese e algumas propostas para trabalhos futuros são apresentadas. |
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