&.r&ii+do+.- S.E.I.T. . _ L . . . , D.G.I.T. S.E.P. . .

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACI~N

Y DESARROLLO TECNOL~GICO

cenidet

ESTUDIO E IMPLEMENTACI~N DE UN INVERSOR NO RESONANTE COMO BALASTRO ELECTR~NICO PARA

LÁMPARAS DE DESCARGA

T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERIA ELECTR~NICA

P R E S E N T A :

ING. EFRÉN FLORES GARCÍA

DR. CARLOS AGUILAR CASTILLO 0 4 - 0 1 0 3

CUERNAVACA, MORELOS FEBRERO 2004

. . .

cenidet Centro Nadonal de Investigación y Desarrollo Tecnoldgim

Sistema Nacional de Institutos Tecnoi6gicos

ANEXO No.11

M10 ACEPTACI~N DEL DOCUMENTO DE TESIS

Cuernavaca, Mor., a 28 de enero del 2004

C. Dr. Enrique Quinter+Mármol Márquez Jefe del departamento de Electrónica Presente.

At‘n C. Dr. Gerard0 V. Guerrero Ramirez Presidente de la Academia de Electrónica

Nos es grato comunicarle, que conforme a los lineamientos para la obtención del grado de Maestro en Ciencias de este Centro, y después de haber sometido a revisión académica la tesis titulada: “Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga”, realizada por el C. Ei%n Flores García, y dingida por el Dr. Mario Ponce Silva y el Dr. Carlos Aguilar Castillo, y habiendo realizado las correcciones que le fueron indicadas, acordamos ACEPTAR el documento. final de tesis, así mismo le solicitamos tenga a bien extender el comspondiente oficio de autorización de impresión.

A1 i f La Comisión de Revisión de Tesis S, E, p,

CENTRO NACIONAL

/ C.C.P. Subdugcción Académica

Departamento de Servicios Escolares Directorexde tesis

12 ~ ~ , R ~ Y P ~ & ~ ~ ~ ~ ~

da loa pm(punasdeüassUa endemla8 M C W D E I

ten j&t Centro Nacional de Investigación Sistema Nacional de institutos Tecnolbgicos y Desarrollo Tecnológico

Estudiante

ANEXO No. 12

MI1 AUTORIZACI~N DE IMPRESI~N DE TESIS

Cuemavaca, Mor., a 4 de febrero del 2004

C. Ing. Efrén Flores García Candidato ai grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería Electrónica Presente.

Después de haber atendido las indicaciones sugeridas por la Comisión Revisora de la Academia de Electrónica en relación a su trabajo de tesis cuyo titulo es: “Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga”, me es grato comunicarle que conforme a los lineamientos establecidos para la obtención del grado de Maestro en Ciencias en este centro se le concede la autorización para que proceda con la impresión de su tesis.

Atentamente

- piflls(-o - ,I

C. Dr. Enrique Quin&ro-Mhol Márquez Jefe del Departamento de Electrónica

C.C.P. Subdirección Académica Presidente de la Academia de Electrónica Departainento de Servicios Escolares Expediente

13 Pm- delos-ramisdeM4and&dotCENDn

Acadhlso. R o g b m y R m d m i l a < O S puddr-Mmin)s-

Al amor de mi vida, Roxana.

A mi madre, por su amor, apoyo y confianza.

A mi hermano Miguel y a mis tíos: Alma, Horacio, Diana, Elena y Jesús por su apoyo en todo

momento.

A mis abuelitos Horaciof e Iliana, por la gran familia que formaron, por sus consejos, y por

siempre enseñar con el ejemplo.

A Ernesto y Luz Maria, gracias por su cariño y todas sus atenciones.

AGRADECIMIENTOS

A mis a sesores: Dr. Mario Ponce Silva y Dr. Carlos Aguilar Castillo por sus consejos y apoyo en la realización de esta tesis, compartiendo sus experiencias, conocimientos y por su amistad.

AI comité de revisores por sus valiosos comentarios y sugerencias que contribuyeron a mejorar esta tesis: Dr. Jaime E. Arau Roffiel, Dra. Maria Cotorogea Pfeifer y Dr. Abraham Claudio Sanchez.

A mis amigos y compañeros de generación: Arturo, Braulio, Carlos, Efraín, Gabriel, Jaime, Janeth, José Cruz, Luis, Mariano, Mario, Miguel y Pablo por todos esos buenos momentos que pasamos juntos ( cy ahora donde le seguimos?).

A mis amigos y compañeros: Rene, Magnolia, Javier, Victor y al "Santos Team" por todos los momentos de trabajo y esparcimiento.

A todo el personal de CENIDET, quienes facilitaron mi estancia en este centro

AI CONACYT y a la SEP, por brindarme el apoyo económico durante mis estudios.

A todos ellos, gracias.

TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCI~N

CAPÍTULO 1 Antecedentes

1.1 Lámparas de Descarga 1.1.1 Principios generales de la descarga en gas

1.1.1.1 Limitación de la comente de descarga 1.1.1.2 Inicio de la descarga 1.1.1.3 Fase de ruptura 1.1.1.4 Fase de calentamiento

1.1.2 Tipos de descarga 1.1.2.1 Descarga a baja presión 1.1.2.2 Descarga a alta presión

1.1.3.1 Lámpara de vapor de sodio de alta presión 1.1.3.2 Lámpara de vapor de mercurio de alta presión 1.1.3.3 Lámparas de halogenuros metálicos

1.1.3 Lámparas de alta intensidad de descarga

1.2 1.3 Balastros Electrónicos 1.4

Estabilización de las lámparas de descarga

Resonancias Acústicas y técnicas de eliminación de resonancias 1.4.1 Operación selectiva 1.4.2 1.4.3 Operación con ondas cuadradas

Dispersión del espectro de potencia

1.5 Estado del arte 1.6 Conclusiones

CAPÍTULO 2 Técnicas de estabilización en lámparas de descarga

2.1 Estabilización de la descarga 2.1.1 Impedancia en serie 2.1.2 Balastro en lazo cerrado

2.2.1 2.2.2

2.2 Técnica propuesta de limitación de comente Uso del concepto del resistor libre de pérdidas Limitación de la corriente mediante un convertidor CD-CD

i

V

1 2 2 3 3 4 4 4 5 5 5 7 8 9 10 11 12 13 13 14 18

21 22 24 24 25 26

i

2.2.2.1 Análisis del resistor libre de pérdidas 2.2.2.2 Modos de operación del convertidor y análisis de la resistencia

equivalente 2.2.2.3 Distribución de potencias en el balastro

2.3 Conclusiones

CAPÍTULO 3 Análisis y diseño del balastro

3.1 3.2

Diagrama a bloques del balastro propuesto Cálculo de los componentes del convertidor CD-CD utilizado para estabilizar la descarga

Análisis del esfuerzo máximo de tensión en el Mosfet del convertidor Análisis del convertidor en modo de conducción discontinuo

3.2.1 3.2.2

3.3 Selección del inversor 3.4 Selección del ignitor

3.4.1 Topologías propuestas 3.4.2 Análisis

3.4.2.1 Comparación de las topologías 3.4.2.2 Diseño de los componentes

Integración de etapas y circuito de comando 3.5 3.6 Diseño del balastro

3.6.1 Especificaciones de diseño 3.6.2 Convertidor 3.6.3 Diseño del inversor 3.6.4 Diseño del ignitor 3.6.5 Diseño magnético

3.6.6.1 Transformador del convertidor 3.6.6.2 Transformador del ignitor

3.7 Resultados de simulación 3.7.1 3.7.2 Simulaciones en régimen permanente

3.8 Conclusiones

Simulaciones en el pre-encendido e ignición

CAPÍTULO 4 Implementación experimental del balastro

4.1 Irnplementación 4.1.1 Circuito de comando 4.1.2 Impulsor del convertidor

4.2.1 4.2.2 Resultados en régimen permanente

4.2.2.1 Desarrollo de la secuencia de encendido 4.2.2.2 Operación en estado estable

4.2 Resultados experimentales Resultados en pre-encendido e ignición

26

31 34 36

37

38 38 40 43 45 46 47 47 50 51 53 54 55 57 57 58 58 60 61 62 63 65

67 67 68 69 69 70 70 71

ii

4.2.3 4.2.4

Efecto de la impedancia del convertidor en la estabilización Comportamiento de la lámpara alimentada con formas de onda cuadrada en baja frecuencia

4.3 Conclusiones

CAPÍTULO 5 Conclusiones y trabajos futuros

5.1 Conclusiones 5.2 Trabajos futuros

REFERENCIAS

BIBLIOGRA FÍA

NOMENCLATURA Y SIMBOLOGÍA

73

74 76

77 79

81

83

85

i i i

El empleo y desarrollo de nuevas fuentes de luz se encuentra encaminado no solo a

mejorar la calidad de la luz. sino también a aumentar la eficacia luminosa y vida útil de

los sistemas de iluminación para obtener ahorros sustanciales de energia y reducir

los costos eléctricos. Por esto, el uso de lámparas de descarga presenta importantes ventajas en comparación con las I ámparas incandescentes, las cuales d isipan gran parte de la energia consumida en calor.

El empleo de este tipo de lámparas requiere de dispositivos especiales de

alimentación para su conexión a la red eléctrica, estos dispositivos son llamados

balastros. Actualmente, los balastros electrónicos están sustituyendo a los electromagnéticos, esto debido a que presentan numerosas ventajas como son: volumen y peso reducido, ausencia de parpadeo, alta eficiencia y posibilidad de controlar el flujo luminoso. Es por eso que uno de los esfuerzos de investigación en el área de iluminación se centra en el desarrollo de balastros electrónicos eficientes, ligeros, compactos, con alto factor de potencia y, sobre todo, de bajo costo. No obstante, gran parte del esfuerzo se ha enfocado a las lámparas de baja presión o

fluorescentes y muy poco se ha enfocado en el desarrollo de balastros electrónicos para lámparas.de alta presión.

Las lámparas de alta intensidad de descarga se muestran como una mejor opción en aplicaciones tales como: faros de automóviles, iluminación de escaparates, estadios,

supermercados, etc. Sin embargo, uno de los grandes problemas a los que se enfrenta el desarrollo de balastros electrónicos para estas lamparas es la presencia de

V

resonancias acústicas, que causan fluctuaciones en la luz de salida, así como

inestabilidades en el arco que pueden llegar a destruir el tubo de descarga.

Con el objeto de eliminar las resonancias acústicas en las lámparas de alta intensidad de descarga (AID), una gran variedad de técnicas se han planteado en la literatura, como son: el operar en un rango de frecuencias libre de resonancias, distribución del espectro de frecuencias y aplicar formas cuadradas de corriente entre otras. De esta variedad de técnicas, en el presente trabajo se seleccionó el uso de ondas cuadradas de corriente por ser una solución general para la eliminación de resonancias acústicas.

El principal problema al que se enfrenta la técnica mencionada para eliminación de resonancias es que no permite el uso del tanque resonante y por tanto no existe el elemento que estabilice la corriente en la lámpara, la cual, debido a su característica

de impedancia incremental negativa tendría una corriente que se incrementaría

desmesuradamente.

En la búsqueda de una solución para la estabilización de la corriente en la lámpara sin cerrar el lazo de controí y con el objeto explorar nuevas alternativas, se llevó a cabo una revisión bibliográfica en la cual se estudiaron las diferentes topologías de balastros no resonantes así como el principio de estabilidad que determina las características del balastro para estabilizar la descarga. Una vez realizado este

proceso se procedió a la selección de una topología y a su análisis correspondiente.

Con base a lo anterior, en el presente trabajo se implementa un balastro electrónico

que alimenta a una lámpara de alta intensidad de descarga y que limita la corriente a través de ella sin cerrar el lazo de control. Además, se desarrolla e implementa un circuito de encendido integrado al balastro.

.

La redacción de este trabajo de tesis se organizó en 5 capítulos que contienen lo siguiente:

En el capítulo 1 se presentan conceptos básicos sobre las lámparas de alta intensidad de descarga, mostrando su clasificación y describiendo su funcionamiento. Además, se menciona el fenómeno de resonancias acústicas, destacando el uso de formas de onda cuadradas para su eliminación y presentando el estado del arte entorno al uso de esta técnica para la eliminación de resonancias acústicas.

vi

En el capítulo 2 se presentan las diferentes técnicas para estabilizar la corriente en

una lámpara de descarga. Además, se propone una topologia de convertidor CD-CD que estabiliza la descarga al presentar una resistencia en serie con la lámpara y no utiliza un lazo de control para esto, presentando su análisis y planteando las características necesarias para su correcto funcionamiento.

En el capítulo 3 se presenta el análisis de cada una de las etapas que conforman el

balastro, a la vez se proponen dos topologías de ignitores, que en base a un análisis se selecciona una de ellas para su implementación. Además, se muestran los resultados de simulación del baíastro realizadas en el simulador PSpice.

En el capítulo 4 se muestra la forma en que se llevó a cabo la implementación del balastro, presentando los resultados experimentales y comprobando que el balastro opera de acuerdo a las especificaciones propuestas originalmente.

Finalmente, en el capitulo 5 se presentan las conclusiones del trabajo y las

recomendaciones para trabajos futuros.

vii

ANTECEDENTES

En este capitulo se presentan algunos concepros básicos sobre las lámparas de descarga,

poniendo especial énfasis en las del tipo de alta intensidad de descarga y presentando una

descripción de su funcionamiento así como de las condiciones necesarias para su encendido y

estabilización. Además. se menciona el fenómeno de resonancias acústicas, el cual, es el principal

problema al que se enfrenia el desarrollo de balastros electrónicos con este tipo de lámparas; llevando a cabo una breve descripción de las técnicas de eliminación de resonancias y haciendo la

selección de una de ellas para este trabajo de tesis, Finalmente, se presenta una revisión del estado

del arte entorno al uso de esta técnica de eliminación de resonancias acústicas, mencionando las

diferentes formas en que se ha implementado esta técnica y la problemática asociada a ella.

1.1 Lámparas de descarga

El uso de las. lámparas de descarga ha crecido notablemente debido a las ventajas que

presentan sobre las lámparas incandescentes, como son: alta eficiencia luminosa, mayor vida útil y excelente índice de reproducción cromática (IRC). Debido a esto, y a las tendencias enfocadas hacia el ahorro de energía eléctrica así como a una mejor calidad de luz, el uso de este tipo de lámparas se ha extendido a un gran número de aplicaciones.

1

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

1 .I .I Principios generales de la descarga en gases

La descarga eléctrica en las lámparas se produce en el interior de un tubo de material

transparente o translúcido con electrodos sellados en sus extremos y con una mezcla de gas i nerte y vapor d e metal e n s u i nterior. A I a plicar u na d iferencia d e potencial a I os electrodos, estos emiten electrones que son acelerados por el campo eléctrico. Los

electrones pueden tener colisiones elásticas o inelásticas, las primeras producen un aumento en la temperatura del gas, mientras que las segundas producen una excitación o

ionización de los átomos del mismo, los cuales generan radiación electromagnética.

La concentración de electrones libres en el gas se incrementa debido a la ionización, y la velocidad de los electrones varía en función de la longitud del camino libre medio de esas partículas, lo que depende entre otros factores, de la densidad del gas y de la intensidad del campo eléctrico en la descarga.

Las colisiones elásticas entre los electrones y los átomos de gas transfieren energía

cinética al segundo, lo que provoca un aumento de la temperatura del gas. Cuando la

velocidad de impacto de un electrón es lo suficientemente elevada puede hacer que el electrón del átomo pase a una Órbita de mayor energía, sin embargo, la atracción electrostática del núcleo hace que rápidamente el electrón vuelva a su orbita inicial, liberando energía en forma de radiación electromagnética. En caso de que el electrón se desprendiera del átomo se obtiene un electrón libre y el átomo queda ionizado, este

electrón puede producir mas iones nuevos siendo este proceso de ionización el necesario

para producir la descarga.

1.1.1.1 Limitación de la corriente de descarga

El aumento en el número de electrones libres en la descarga puede poner en peligro la integridad de la lámpara. La ionización continua de nuevos átomos de gas lleva a una corriente de descarga creciente, por lo cual, se requiere de un elemento exterior que limite esta corriente o de lo contrario conducirá a la destrucción de la lámpara. El elemento encargado de limitar la corriente a través de la lámpara y de suministrar la potencia necesaria se denomina balastro. En la Figura 1-1 se muestra la característica voltaje- corriente simplificada de una lámpara de descarga, en donde se observa la característica de impedancia negativa a medida que el voltaje disminuye al aumentar la corriente.

2

- .

Antecedentes

" t

Figura 1-1. Característica voltaje-corriente simpli>cadn de una lámpara de descarga

1.1 .I .2 Inicio de la descarga

Los gases de llenado de las lámparas de descarga son buenos aislantes, por lo que al

aplicar una tensión baja entre los electrodos no circula una corriente considerable. Entonces, para lograr la descarga es necesario que exista un número suficientemente

elevado de partículas cargadas en el gas; para la mayoría de las lámparas, la tensión de red es insuficiente para iniciar la descarga por lo que es necesario incluir algún dispositivo

especial para el encendido.

El encendido de las lámparas de descarga depende de múltiples factores como son '

Geometría del recipiente de descarga

Material del recipiente de descarga

Composición y presión del gas de llenado

Material y geometría de los electrodos

En el proceso de estabilización de la descarga se distinguen dos fases: fase de ruptura y fase de calentamiento.

1 .I .I .3 Fase de ruptura

Las lámparas de descarga contienen un gas inerte o mezcla de gases para ayudar a

iniciar I a d escarga. S e emplean g ases i nertes d ebido a I a i nfluencia q ue tienen e n I as tensiones de encendido. Algunas mezclas de gases inertes presentan tensiones de ruptura inferiores a la de los gases que las componen por separado, estas mezclas son llamadas mezclas 'penning'.

3

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

1 .I .I .4 Fase de calentamiento

Una vez que la lámpara ha encendido existe una descarga eléctrica de baja intensidad entre los electrodos y comienza la fase de calentamiento.

Los potenciales de ionización y excitación de los gases auxiliares están muy próximos entre si, por lo que existirá un elevado número de electrones libres en la descarga. Estos

electrones colisionan con los átomos de gas inerte produciendo un incremento en la temperatura, provocando que el metal de llenado comience a vaporizarse. La proporción

de átomos de metal vaporizado sube al incrementarse la presión en la descarga, por lo que la radiación emitida asume una característica más próxima a la de una descarga en vapor de metal que a la descarga en un gas inerte. Cuando la lámpara alcanza la temperatura y presión de funcionamiento la descarga se estabiliza y la fase de calentamiento termina.

Las elevadas temperaturas de funcionamiento hacen que, una vez que el arco se

extingue, la presión permanezca en valores elevados durante un cierto tiempo. Durante este tiempo, la lámpara no puede ser re-encendida fácilmente debido a que la tensión de ruptura es demasiado elevada y por tanto debe dejarse enfriar hasta una temperatura muy inferior antes de poder ser re-encendida.

1 .I .2 Tipos de Descarga

Las lámparas de descarga se dividen en dos grandes grupos según el nivel de presión a I a c ual se I leva a cabo I a d escarga, e Sta c lasificación s e basa e n I a p resión q ue se encuentra en el tubo de descarga.

1.2.1.1 Descarga a baja presión

La presión del gas en una descarga de baja presión esta por debajo de 1 Pascal (Pa).

La baja presión y baja densidad de corriente da lugar a tubos de descarga de grandes dimensiones, siendo este factor una de las mayores limitaciones de las lámparas de descarga de baja presión.

.

Los metales mas empleados en las lámparas de descarga de baja presión son el sodio y el mercurio. En algunas de estas lámparas, como las fluorescentes, también se usa el

4

Antecedentes

principio de fluorescencia para emitir luz visible debido a la localización del espectro electromagnético.

1.2.1.2 Descarga a alta presión

La descarga en alta presión es ofra opción para obtener un alto nivel de luz. En este tipo de lámparas se aumenta la presión en el tubo de descarga hasta valores superiores a 1.5 x IO4 Pa, esto con el fin de aumentar la eficiencia luminosa.

1.1.3 Lámparas de Alta Intensidad de Descarga

Las lámparas de alta intensidad de descarga se caracterizan por una densidad de

corriente en la descarga muy superior a las lámparas fluorescentes, por lo tanto, son

fuentes de luz mucho más compactas y válidas en un amplio número de aplicaciones.

Esta categoria de lámparas comprende a las lámparas de vapor de sodio de alta presión, de halogenuros metálicos y de vapor de mercurio. Todas ellas tienen diferentes caracteristicas eléctricas y fisicas las cuales se describen en los siguientes apartados.

1.3.1 .I Lámpara de vapor de sodio de alta presión

Este tipo de lámparas esta constituida por dos cubiertas, una cubierta protectora exterior de cristal de borosilicato y un tubo de descarga interior de alumina policristalina

resistente al ataque del sodio a alta temperatura y con una elevada temperatura de fusión. En el interior de este tubo se deposita una pequeña cantidad de amalgama de sodio y mercurio, asi como un gas noble, como el xenón, que tiene la función de iniciar la ignición del arco de descarga. La amalgama de sodio y mercurio se vaporiza parcialmente

cuando la lámpara alcanza su temperatura de operación. El mercurio actúa como un reforzador y permite incrementar tanto la presión del gas como el voltaje de lámpara a un nivel práctico. El sodio es el que se encarga de generar la luz visible. En la Figura 1-2 se puede observar la estructura de una lámpara de vapor de sodio de alta presión.

La cubierta exterior se fabrica en vidrio y tiene forma tubular u ovoide. El vacio existente entre la cubierta exterior y el tubo de descarga se utiliza para prevenir el ataque químico en las partes metálicas del mismo, as¡ como para mantener la temperatura del

tubo aislada de las variaciones en la temperatura ambiente.

5

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lamparas de Descarga

/----

Material de seliado

%dio + MeK"ri0

Alllmina policristalina

Tapa de niobio o -- ceramica

Nlquel

Figura 1-2. Lámpara de sodio de alta presión

Dentro del tubo de descarga se encuentra sodio, mercurio y un gas noble (xenón), es

el encargado de la ignición del arco; El mercurio actúa como un reforzador para elevar la presión y tensión en la lámpara a un nivel práctico. El sodio es el principal productor de

luz visible, pues a diferencia de la lámpara de vapor de mercurio a baja presión (fluorescentes) que en su mayoría emite radiación ultravioleta, la lámpara de sodio a alta presión produce una luz blanca-dorada. -

Los electrodos se forman por una varilla de tungsteno y en cuyo perímetro se arrollan hilos de tungsteno de menor diámetro formando una espiral, esta espiral está recubierta de material emisor de electrones.

La descarga en vapor de sodio a alta presión emite luz distribuida dentro del espectro

visible. Las lámparas de vapor de sodio de alta presión estándar trabajan en el rango 5-10

kPa, tienen una temperatura de color de 1900-2200°K y un índice de reproducción cromático de aproximadamente 50, el cual depende de la presión de funcionamiento. Por otra parte, la eficacia luminosa es tambien muy elevada (45-150 ImNV). Requieren de un elemento para estabilizar el proceso de descarga y, al no tener un electrodo de encendido, requieren de pulsos de alta tensión para lograr la ionización del xenón y de

esta forma iniciar el arco de descarga. La lámpara alcanza su máxima luz de salida después de aproximadamente diez minutos, el re-encendido de este tipo de lámpara se puede alcanzar en un minuto y alcanza su máxima luz de salida en tres Ó cuatro minutos después del re-encendido.

6

Antecedentes

1.3.1.2 Lámpara de vapor de mercurio de alta presión

Estas lámparas son las menos eficientes de la familia de lámparas de alta intensidad de descarga. Se utilizan en iluminación de parques deportivos e instalaciones acuáticas y se caracterizan por el tono azul en la luz que generan.

Su principio de operación consiste en hacer circular corriente eléctrica a través del

vapor de mercurio. Se caracterizan por tener un electrodo de encendido que tiene como

propósito facilitar el proceso de encendido a baja tensión de línea.

Las partes más relevantes que conforman a una lámpara de mercurio de alta presión

tipica se muestran en la Figura 1-3, la lámpara consiste del tubo de descarga, que por lo

general se fabrica de silice fundido con listones de molibdeno sellados en los extremos y

los cuales se utilizan como conductores; así como una cubierta exterior, fabricada con

borosilicato cuya función es proporcionar la protección necesaria a los cambios en la

temperatura ambiente y, al estar cubierta en su parte interna con fosfuros, actúa como

filtro para eliminar ciertas longitudes de onda generadas por la descarga.

Figura 1-3. Lampara de mercurio de alta presión

Los electrodos son d e tungsteno recubiertos de materiales emisores y rodeados en espirales de tungsteno y deben ser calentados para alcanzar la temperatura de emisión de electrones.

7

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

El tubo de descarga está lleno de vapor de mercurio ai cual se le agrega argón para iniciar el arco de descarga, ya que a temperatura ambiente el mercurio se presenta a oresiones muy bajas, una vez que se inicia el proceso de descarga la presión del vapor de mercurio puede alcanzar valores comprendidos entre 200 y 400 kPa dependiendo de la cantidad de vapor que se encuentre dentro del tubo de descarga. El tubo exterior está relleno de un gas inerte (como el nitrógeno) para evitar la oxidación de las partes internas.

El tiempo en que alcanza la máxima salida de luz puede ser del orden de 4 a 5 minutos. El re-encendido tiene que esperar algunos minutos en los que la presión del vapor de mercurio disminuye. Tiene un bajo rendimiento cromático, este puede mejorarse al igual que en las lámparas fluorescentes con una cubierta de fosfuros

1.3.1.3 Lámparas de halogenuros metálicos

Este tipo d e I ámparas tiene u na estructura m uy similar a I as lámparas d e vapor de mercurio de alta presión (Figura 1-4), sin embargo, la adición de varios metales a la descarga mejora el rendimiento de color de la lámpara. La luz de estas lámparas es de color blanca azulada y se utilizan principalmente en ambientes industriales y centros comerciales.

El tubo de descarga es de cristal de cuarzo y contiene vapor de mercurio, argón y alguna combinación de halogenuros metálicos; los más utilizados son el talio, indio, escandio y disprosio. Con la incorporación de estas sales metálicas obtiene una mayor eficacia (1.5 a 2 veces) mayor a la obtenida en las lámparas de vapor de mercurio;

además de lograr una mejora considerable en el balance de color de la luz generada.

Las tensiones de encendido de estas lámparas se encuentran aproximadamente entre 1.5kV y 5kV, por lo que resulta preciso el empleo de circuitos especiales de arranque. Además, debido a que estas lámparas operan a temperaturas más elevadas requieren de hasta 15 minutos para poder enfriarse, por lo cual, el proceso de re-encendido no se logra de manera inmediata. Para el reencendido en caliente de estas lámparas se requieren tensiones de al menos 35kV.

Las lámparas de halogenuros tienen un índice de reproducción de color de entre 65 y 93, con una eficacia luminosa de 65 a 100 Im/W. Estas lámparas no resultan aptas para el funcionamiento a potencias inferiores a la nominal. Esto es debido a que la temperatura

Antecedentes

en el interior de la descarga es un parámetro critico en el funcionamiento del gas de

descarga que contiene halogenuros metálicos.

Figura 1-4. Lámparas de halogenuros metálicos.

1.2 Estabilización de las lámparas de descarga

Una vez que la lámpara de descarga enciende, esta comienza a aumentar su flujo

luminoso y se presenta el fenómeno llamado impedancia negativa. Esta característica se presenta porque al aumentar la corriente en la lámpara se aumenta la temperatura del arco de descarga y a la vez la concentración de iones y electrones libres, lo que ocasiona un aumento en su capacidad de conducir corriente y en consecuencia un

aumento descontrolado en la potencia consumida por la lámpara, por lo tanto, las lámparas requieren tener un circuito que limite la corriente a través de ellas.

El balastro es el circuito encargado de controlar la corriente a través de la lámpara, y

actúa como interface entre la lámpara y la red de alimentación. Las características que debe cumplir el balastro son las siguientes ’:

Proporcionar las condiciones apropiadas para el calentamiento, la ignición y la estabilización de la lámpara durante su vida útil.

Mantener la potencia de lámpara cerca del valor nominal a pesar de pequeñas variaciones en el voltaje de linea y en el voltaje de lámpara durante su vida Útil.

Incorporar protecciones para cuando se presente el final de la vida útil de la

lámpara y cuando la lámpara se dañe o no esté conectada.

9

_- cc

IO siguiente:

Cumplir con los requerimientos establecidos por las diferentes normas con

respecto a los niveles de factor de potencia y distorsión armónica.

Eliminar o atenuar adecuadamente la interferencia electromagnética generada durante el encendido, reencendido y operación en estado estable.

Algunos otros requerimientos adicionales son que el balastro disipe la menor cantidad de energía y que sea lo más pequeño posible.

1.3 Balastros electrónicos

La mayor ventaja de los balastros electrónicos radica en su menor tamaño y peso,

así como una mayor eficiencia en comparación con los balastros electromagnéticos convencionales. Los balastros electrónicos son capaces de regular el voltaje, la potencia y la luz de salida de la lámpara durante las fases de ignición, calentamiento y

operación en estado estable. Estos balastros permiten la operación de la lámpara en alta frecuencia o por pulsos de corriente '. La operación en alta frecuencia hace posible la eliminación de los problemas de reencendido y permite diseñar el balastro con elementos reactivos de menor tamaño; mientras que con la operación por pulsos de corriente se puede obtener una mayor temperatura de color que la obtenida con balastros convencionales. Aunado a esto, la vida de la lámpara aumenta en algunos casos hasta 1.5 o 2 veces la que tendria con un balastro convencional ',

Sin embargo, la operación en alta frecuencia trae consigo un fenómeno llamado resonancias acústicas. Este fenómeno se presenta principalmente en las lámparas de

alta intensidad de descarga y puede ocasionar numerosos problemas los cuales se abordan con mayor detalle en la siguiente sección.

10

Antecedentes

1.4 Resonancias acústicas y técnicas de el i m i nación de resona nc ias

Uno de los principales problemas que se derivan de la alimentación en alta frecuencia en las lámparas de alta intensidad de descarga es la presencia de

resonancias acústicas. Este fenómeno es debido a una distribución desigual de

presiones en el interior del recipiente de descarga que tiene lugar debido a la aparición

de ondas de presión estacionarias para determinadas frecuencias de excitación. Esta

distribución desigual de presiones produce cambios locales en las condiciones de

funcionamiento de la descarga que dan lugar a movimientos del arco. Dependiendo de

la frecuencia de excitación los movimientos del arco pueden ser más o menos violentos

produciéndose una fuerte modulación de la luz generada en la descarga. Los efectos

de las resonancias pueden llegar a provocar la extinción del arco.

Las frecuencias de excitación que dan lugar a fenómenos de resonancia están

influenciadas por la geometría del recipiente de descarga y por las variables

termodinámicas de los gases de llenado. En las lámparas de dimensiones reducidas

las frecuencias para las cuales se producen fenómenos de resonancia se extienden

hasta frecuencias muy elevadas, Además, la dispersión existente en los procesos de fabricación actuales hace que entre dos lámparas de iguales caracteristicas la

resonancia se produzca a frecuencias de excitación distintas, por lo que no resulta posible diseñar un circuito que trabaje a una frecuencia fija situada entre dos bandas

de resonancia. Por otra parte, las variables termodinámicas de los gases presentes en

la descarga varían a lo largo de la vida de la lámpara produciendo un desplazamiento en las frecuencias de resonancia.

En la Figura 1-5 se presentan los fenómenos que se observan, en el arco de descarga debidos a la resonancia acústica para tres lámparas de alta intensidad de descarga de 250W ’. En estas lámparas, los fenómenos asociados a las resonancias se producen en el rango de frecuencia mas habitualmente empleado en los sistemas

electrónicos de alimentación (30-100kHz).

11

5oHz lb 2& 5bO ik 2k 5k 1W ZOk Wk 1Wk 25Ok a) Vapor de Mercurio de Alta Presión

50Hr $00 Mo 5M) <k 21( !% fMc 2Ok x1k look 25nk

bl Halwenwros Methlicos

0 Operación estable

Parpadeo del arm

Serpenteo del arca

, . , . . , . . . . SM-lz 100 2w 500 l k Zk 5k 1WI Mk 5Dk10Dk250k

c)Vapor de Sodio tie Alta Preslón

Figura 1-5. Localizacibn de las resonacias acúsiicas en diferentes iipos de lámparas de AID

Las diferentes técnicas reportadas en la literatura para resolver el problema de

resonancias acústicas se pueden clasificar en tres clases ’:

ODeración selectiva.

Dispersion del espectro en potencia.

Operación con formas de onda cuadradas.

1.4.1 Operación selectiva

Este método consiste en operar la lámpara en frecuencias donde no se presenten resonancias acústicas; esto puede ser a frecuencias bajas menores a 1 o 2 kHz, en bandas estrechas de frecuencia intermedia o en muy altas frecuencias,

El operar a frecuencias bajas trae consigo numerosas desveniajas, como son: elevado tamaño y peso, bajo rendimiento, baja calidad de luz, mala regulación de la potencia de la lámpara y menor vida útil entre otras. La operación de la lámpara en bandas estrechas de frecuencia supone conocer perfectamente las bandas en las cuales no se presentan resonancias, sin embargo estas bandas dependen de la estructura física de la lámpara, de su potencia, y por tanto del fabricante; de modo que

I .

12

.- .

no se podria desarrollar un balastro que funcionase para toda lámpara. Por último. el 1 -

utilizar frecuencias muy altas complica en gran medida los circuitos electrónicos a emplear, al disminuir la eficiencia del balastro por las pérdidas en conmutación y

aumentando la generación de interferencia electromagnética.

1.4.2 Dispersión del espectro de potencia

Esta técnica consiste en dispersar el espectro en potencia de la lámpara para evitar

que exista una componente espectral lo suficientemente grande que pueda excitar las

resonancias acústicas. Generalmente el espectro se distribuye usando una modulación

en la frecuencia del voltaje aplicado al inversor que alimenta a la lámpara. La señal

modulante puede ser de dos tipos:

Modulación con señales periódicas

En la modulación en ángulo con señales periódicas se busca distribuir el espectro

de potencia usando diferentes tipos de patrones periódicos, los cuales se seleccionan considerando la densidad de distribución espectral, los componentes espectrales

máximos y e I ancho d e banda requerido. Las señales q ue s e u san como portadora

pueden ser cualquier tipo de señales periódicas, se han realizado trabajos empleando

los siguientes tipos de formas de onda como señal moduladora: onda senoidal, onda cuadrada y diente de sierra. Además se pueden usar dos métodos de modulación: modulación en fase y modulación en frecuencia.

Modulación con señales no periódicas

Este método se refiere a la modulación en ángulo, pero a diferencia de los métodos

con patrones periódicos se usa una señal no repetitiva. Un trabajo reportado en la literatura decidió usar para este fin ruido blanco como ruido aleatorio para la señal moduladora '. Este tipo de señal tiene un espectro continuo, por lo cual el espectro de la modulación en ángulo es continuo.

1.4.3 Operación con ondas cuadradas en baja frecuencia

Para evitar las resonancias acústicas, algunos balastros electrónicos operan la lámpara con una forma de onda cuadrada a baja frecuencia (200 a 400Hz). Con esto se consigue entregar a la lámpara una potencia instantánea casi constante y al no

13

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Limparas de Descarga

existir variaciones significativas en la potencia entregada a la lámpara no es posible excitar las resonancias acústicas 'O, En este caso reportado, la razón de que no se

presenten las resonancias se debe a la operación en baja frecuencia y no a la forma de onda de la corriente en la lámpara; no obstante, el uso de formas de onda cuadradas permiten en teoría operar a la lámpara en cualquier frecuencia sin excitar las resonancias acústicas. El principal inconveniente de esta técnica es que no permite el uso del tanque resonante típico, usado para el encendido y estabilización de la lámpara Por lo que es necesario buscar otras alternativas para realizar estas funciones.

1.5 Estado del arte

Debido a que el uso de formas de onda cuadradas presentan la solución mas general para la eliminación de resonancias acústicas, a continuación se muestra una revisión del estado del arte entorno al uso de esta técnica. Con esto, se proporciona un panorama general acerca de las diferentes formas en que se ha implementado y los problemas relacionados a ella.

En 2001 Sam Ben Yaakov " presenta un estudio sobre el manejo de una lámpara fluorescente a alta frecuencia sin elementos pasivos conectados en serie. Para esto se implementó un inversor puente completo controlado por una etapa PWM con desplazamiento de fase. La corriente a través de la lámpara se utilizó como

retroalimentación para controlar el tiempo de apagado (torn en el inversor, regulando

con esto el voltaje eficaz aplicado a la lámpara y manteniendo a la potencia en un rango determinado. De esta manera, la operación del balastro asemeja a una fuente de

corriente y logra estabilizar a la lámpara.

Los resultados experimentales de este estudio confirmaron que es posible la estabilización de una lámpara de descarga sin elementos pasivos conectados en serie. Sin embargo, la implementación de esta técnica está limitada a altas frecuencias en la etapa inversora para evitar que la lámpara se apague durante los to17 En la Figura 1-6 se muestra el esquema propuesto así como las formas de onda en la lámpara. Para lograr el encendido se requirió de un circuito auxiliar.

14

Antecedentes

18 IO" t)

ton b)

Figura 1-6. a) Diagrama a bloques del balastro, b) Voltaje y corriente en la lámpara ' l .

En la Figura 1-7 se muestra un balastro electrónico de bajo costo para lámparas de

alta intensidad de descarga ". El balastro propuesto es un circuito de dos etapas, la

etapa correctora de factor de potencia y la etapa inversora; ambas requieren de solo un

interruptor y un inductor para cada etapa. La corrección de factor de potencia consiste

en un convertidor Buck operando en modo de conducción discontinuo (MCD). La etapa

del inversor utiliza una topología no resonante, este inversor utiliza un control modo

corriente el cual mide la corriente a través del interruptor S2 y lo apaga cada vez que

esta sobrepasa un valor límite. El tiempo que este interruptor permanece apagado se

fija previamente en el control y lo determina la constante de descarga del inductor L

con relación a la impedancia equivalente de la lámpara.

La mayor desventaja de este prototipo radica en la no simetria del voltaje aplicado a la lámpara. Esto implica el mayor desgaste de uno de los electrodos, reduciendo la vida Útil de la lámpara; además de una modulación en la potencia entregada a la lámpara que de sobrepasar cierto nivel limite podría excitar las resonancias acústicas.

CFP INVERSOR

Figura 1-7, Balastro de bajo cosfo conformado por etapa CFP e inversor I'

15

~ ~ t ~ , ~ i ~ y ~ ~ l i ~ ~ ~ i 6 ~ de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico Para Lamparas de Descarga

En 2001 Alejandro López l3 presenta un inversor que alimenta a la lámpara con formas de onda cuadradas de corriente y que a s u vez es alimentado desde baja tensión. El circuito de arranque está basado en un amplificador clase E, además utiliza un convertidor elevador que estabiliza la corriente en la lámpara al variar la tensión en el bus de CD. Para esto mide la corriente en la lámpara y con base a esto se ajusta la modulación de ancho de pulso del convertidor elevador para mantener dicha corriente constante. El diagrama del b alastro propuesto se muestra e n F igura 1 -8, e n I a que s e m uestran I as etapas del balastro.

Con este prototipo no se consiguieron formas de onda completamente cuadradas en la corriente y el voltaje en la lámpara. Debido a esto, existió cierta modulación en la potencia aplicada a la lámpara la cual resultó ser lo suficientemente pequeña para no excitar las resonancias acústicas. El circuito de control resultó ser complejo y voluminoso debido al gran número de componentes de que consistía.

vc

gni or Convertidor Inversor Elevador

Figuia 1-8. Balastro electrónica implementoda ''

En la Figura 1-9 se muestra el diagrama del circuito presentado por M. Shen 14. Este balastro está compuesto por dos etapas, una etapa correctora de factor de potencia y otra que consiste en un inversor que alimenta a la lámpara con formas de onda cuadradas de corriente en baja frecuencia. El inversor se comporta como un convertidor reductor debido

a los dos modos de operación del mismo. El modo 1 consiste en que cuando S3 está encendido y S4 apagado, S7 opera con modulación de ancho de pulso en alta frecuencia (ver Figura 1-10), El ciclo de trabajo (D) es controlado por un circuito que mantiene a la corriente de la lámpara constante. S4 también opera del mismo modo que S1 pero con un

ciclo de trabajo de I-D. El modo 2 es complementario al modo 1 y la medición de la corriente en la lámpara se logra por medio de resistencias de medición (Rshunf).

16

Antecedentes

Durante la fase de calentamiento de la lámpara se implementa un control para mantener a la corriente en un nivel mayor al valor en estado estable. Una vez que la

resistencia equivalente de la lámpara aumenta y en consecuencia su voltaje, el control detecta este aumento en el voltaje y cambia el nivel de referencia de corriente del control

a su valor nominal. Con este proceso se detecta que la lámpara ha terminado su fase de

precalentarniento.

El circuito de control Se diseña para proveer la estabilidad necesaria al balastro, ~1

encendido se Consigue mediante un circuito auxiliar, lo cual presenta una desventaja por

requerir de componentes extras para cumplir dicha función.

CA

Figura 1-9. Balastro propuesto por M. Shen I d .

lp? "1 ( 1 . 0 ) -ri- * +

R.mmlY F3ilunn

a) Modo 1 b) MOdO 2

Figura 1-10, Modos de operación del inversor Id

En 2003 J. Ribas '5 presenta un nuevo procedimiento para obtener las características dinámicas de la lámpara en pequeña señal y con el cual se obtuvo un modelo de la

lámpara. Posteriormente se utilizó el criterio de estabilidad de Nyquist para analizar la interacción del modelo obtenido de la lámpara con el convertidor reductor-elevador, este último utilizado para suministrar la potencia necesaria a la lámpara. Con esto, se adaptó el

diseño del convertidor a I as n ecesidades d e I a lámpara con e I propósito d e p roveer I a estabilidad necesaria para su correcta operación.

17

~ ~ t ~ d i ~ y Aplicación de un inversor no Resonante corno Balastro Electrónico Para Lámparas de Descarga

Este balastro utiliza un control durante la fase de calentamiento de la lámpara, con 10

cual se mantiene a la corriente del convertidor por debajo de un cierto valor hasta que la impedancia de la lámpara alcance sus valores nominales. Para esto, se mide el voltaje aplicado al inversor y cuando este sobrepasa cierto valor establecido se determina que la fase de calentamiento ha terminado. Este control permite disminuir los eSfUeEOS excesivos en el convertidor durante esta fase, El diagrama del prototipo se muestra en la Figura 1-1 1. El encendido de la lámpara se consigue mediante la aplicación de pulsos en alta frecuencia a la red resonante compuesta por LR y CRi la cual eleva el voltaje lo Suficiente para encender la lámpara.

Figura 1-11. Diagrama esquemarico delprototipo ".

1.6 Conclusiones

En este capitulo se presentaron los principios generales de la descarga en gases y una breve descripción de las caracteristicas de las lámparas de alta intensidad de descarga. Además, se describen las condiciones necesarias para su correcto encendido asi como las diferentes técnicas para la eliminacion de resonancias acústicas.

El uso de formas de onda cuadradas es la solución mas general para la eliminación de

resonancias, sin embargo, con esta técnica se requiere buscar nuevas alternativas para el encendido y estabilización. En base a esto se lleva a cabo una revisión del estado del arte entorno al uso de esta técnica, describiendo las diferentes formas en que se han solucionado los problemas relacionados a ella y las desventajas que se presentaron en cada una.

18

Antecedentes

En la mayor parte de los artículos presentados se implementaron circuitos de encendido auxiliares así como circuitos de control para estabilizar la corriente de

descarga. Debido a esto, toma importancia el desarrollo de una topología que estabilice la

descarga sin la necesidad de un control para esto y a la vez integrar el circuito de

encendido a la etapa inversora. Para lograr la correcta estabilización de la corriente en la

lámpara es n ecesario que e I b alastro cumpla con ciertas características e speciales I as

cuales se abordaran en el siguiente capitulo

19

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro ElectrCico para Lámparas de Descarga

20

TECNICAS DE ESTA BILIZA CIÓN

EN LÁMPARAS DE DESCARGA

En este capítulo se presentan las diferentes técnicas para estabilizar la corriente en

una lámpara de descarga. También, se propone una topología de convertidor CD-CD que estabiliza la descarga sin utilizar lazo de control, presentando su análisis y planteando las

características necesarias para su correcto funcionamiento.

2.1 Estabilización de la descarga

Una vez que la lámpara enciende es necesario limitar la corriente a través de ella debido a su característica de impedancia negativa mencionada en el capitulo anterior. La resistencia que presenta la lámpara en estado estable no es constante, es función de su

punto de operación. AI graficar el valor eficaz de corriente y tensión en dos puntos de

operación se obtiene la grafica mostrada en la Figura 2-1. La recta que une a los puntos A

y O describe la pendiente positiva de la lámpara en estado estable. La recta que une los

puntos A y B describe el cambio de señal pequeña de un punto de operación a otro.

CENTRO DE INFO~ACION """1 SEP CENIDET I

T h i c a s de Estabilización en Lámparas de Descarga

V

o .' 1 /

Figura 2-1 Grú$ca de I-V en operación en estado estable de una lámpara de descarga

Con el modelo de la lámpara de descarga en el plano complejo se demuestra que las lámparas tienen un cero en el semiplano derecho y se puede describir por medio de la ecuación (1):

El cero localizado en el semiplano derecho depende de las características físicas de la lámpara y puede ser calculado mediante la ecuación modificada de Francis", la cual

describe el comportamiento de la descarga en un gas. Una vez conocido el comportamiento en frecuencia de las lámparas de descarga, se sabe que la lámpara no puede ser manejada con una fuente de tensión, porque en ese caso la función de transferencia de corriente tendría un polo en su semiplano derecho, lo que resultaría en inestabilidad. Por lo tanto, a continuación se presentan las dos formas de estabilizar la corriente comúnmente utilizadas y reportadas en la literatura.

2.1.1 Impedancia en serie

La forma mas sencilla de estabilizar la corriente en una lámpara de descarga es conectar una impedancia en serie con la lámpara. En la mayoría de los balastros se utiliza el tanque resonante como impedancia en serie, que además de estabilizar también sirve para e ncender I a I ámpara. S in e mbargo, p ara e I caso e n q ue s e d esee a limentar a I a

lámpara con formas de onda cuadradas de corriente, no es posible usar el tanque

22

Estudio y Aplicación de nn Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

resonante, ya que éste filtraría la señal cuadrada y entregaría a la lámpara ondas

sinusoidales.

La impedancia ZB(s) conectada en serie y que estabilizaría la descarga debe cumplir

En la Figura 2-2 se muestra el circuito de estabilización de con ciertas

corriente.

Figura 2-2. Diagrama a bloques de un sistema de estabilización con una impedancia en serie.

La función de transferencia de la corriente en el circuito se describe por medio de la

ecuación (2), donde ZL(s) representa la impedancia de la lámpara y Z&) es la impedancia

que se agrega para estabilizar.

De acuerdo con el criterio de Nyquist, La condición necesaria para que el circuito sea estable es que no exista un cero en el semipiano derecho en el término l+Z,(s)&(s). De

aquí se observa que una condición suficiente es que:

Físicamente, el criterio establece que la lámpara debe ser alimentada con una fuente de corriente. La impedancia que se conecta en serie para lograr la estabilidad de la corriente en la lámpara puede ser un tanque resonante con diferentes configuraciones, una inductancia, una capacitancia o incluso una resistencia. Sin embargo, esta última opción es la menos recomendable ya que implicaría considerables pérdidas y una

disminución en la eficiencia del sistema.

23

~ é ~ n i c ~ ~ de Estabilización en Lámparas de Descarga

2.1.2 Balastro en lazo cerrado

Otra forma de estabilizar la corriente consiste en cerrar el lazo de retroalimentación del sistema como se muestra en la Figura 2-3. Este sistema funciona comparando la corriente que circula a través de la lámpara con una señal de referencia, el resultado de esta comparación es una señal de error con la cual se controla la magnitud del voltaje aplicado

a la lámpara. Así, la corriente a traves de la lámpara no sobrepasará un valor determinado, debido a la acción de un controlador’6.

Figura 2-3. Diagrama a bloques de un sistema con baiastro en lazo cerrado.

De acuerdo con la teoría de control, un sistema en lazo abierto que es inestable debido a un cero en el semiplano derecho puede ser estabilizado al cerrar el lazo de

retroalimentación. El lazo de retroalimentación convierte a la fuente de tensión que alimenta al balastro en una fuente de corriente con el objeto de proveer un punto de

operación estable a la Iámpara16.

AI adicionar un circuito de control en un esquema de este tipo aumenta el costo del mismo por el incremento en el número de componentes, pero se mejora la eficiencia, ya que se reducen las pérdidas al no tener la impedancia en serie para estabilizar la corriente en la lámpara de descarga.

2.2 Técnica propuesta de limitación de corriente

Una vez teniendo clara la necesidad de limitar la corriente en la lámpara se busca la forma de hacer esto sin cerrar el lazo de retroalimentación. con el objeto de explorar nuevas formas de estabilización y poder simplificar así la configuración del balastro.

24

Estudio Y A~licación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

2.2.1 Uso del concepto del resistor libre de pérdidas

‘Omo se mencionó anteriormente, ia Única forma de estabilizar la corriente sin cerrar el

lazo de control es Por medio de una impedancia en serie con la lámpara y es de Suma

importancia que esta impedancia presente la menor disipación posible de potencia, De ahi

We resulta interesante el concepto del resistor libre de pérdidas presentado por J ,

SebaStián” Y llevado a Un balastro electrónico por J. M. Alonso (Figura 2-&)18. €1 resistor libre de perdidas es solo una analogia para representar el comportamiento promedio de

un convertidor CD-CD operando en modo de conducción discontinuo (MCD). Cómo se ha

demostrado por Sebastiád cualquier convertidor CD-CD que opere en discontinuo se

comporta como una resistencia, debido a que el valor promedio de la corriente

demandada por dicho convertidor es directamente proporcional al voltaje suministrado. De

esta manera se puede obtener una resistencia equivalente que represente dicho

convertidor. Puesto que el convertidor tiene un comportamiento resistivo entonces la

energia consumida por éste seria la misma que se disiparía en su resistor equivalente y

puesto que dicha energía es transferida por el convertidor hacia la carga con una

eficiencia teórica del loo%, entonces se dice que este se comporta como un resistor libre

de perdidas ya que toda la energia que consumió fue transferida hacia la carga. Cabe resaltar que esta afirmación solo es valida para una eficiencia en la transferencia de

energia del 100%.

En este articulo este concepto es utilizado para representar a un convertidor conformador de la corriente de línea, el cual tiene como función aumentar el ángulo de

conducción de 10s diodos rectificadores para lograr un alto factor de potencia. En la Figura 2-4b se muestra el circuito equivalente del convertidor, donde Rc es el resistor libre de

pérdidas que representa el convertidor.

Figura 2-4. a) Convertidor conformador de corriente, b) Circuito equivalente del convertidor,

25

in convertidor CD-CD

Debido a las características presentadas por el convertidor mencionado anteriormente, se vuelve muy interesante su implementación como limitador de corriente para una lámpara de descarga, A continuación se analizará la operación del conformador de corriente para este fin.

2.2.2.1 Análisis del resistor libre de pérdidas

Para poder implementar el convertidor antes mencionado en un balastro que aplique formas de onda cuadradas, es necesario hacer algunos cambios debido a que no se cuenta con un inversor resonante. El cambio principal se debe a que para evitar el comportamiento como fuente d e voltaje, se requiere disminuir e I valor d el capacitor d e

salida (Co) a valores no mayores a 3vF 15. AI disminuir el valor de este capacitor es

necesario agregar un capacitor de filtrado a la entrada, con lo cual se afecta la corrección del factor de potencia para lo cual fue propuesto originalmente el convertidor. Ahora el conformador de corriente se comporta solo como un convertidor CD-CD (ver Figura 2-5).

...............................

................................. Convertidor CD-CD

Figura 2-5. Cambios en la topoiogia del conformador de corriente.

En la Figura 2-6 se presentan los modos de operación del convertidor CD-CD operando en MCD. En la Figura 2-6a se muestra el modo de operación cuando el interruptor Mc se encuentra encendido y la potencia entregada por la fuente de alimentación se distribuye entre Lp y la resistencia equivalente del inversor Rinv;

cargando al mismo tiempo al capacitor de salida Co. Cabe aclara que la resistencia Rinv

es aproximadamente igual a la impedancia de la lámpara en estado estable. En el modo

de operación mostrado e n la Figura 2-6b, el interruptor Mc se abre y Lp transfiere su energía a Ls que a su vez alimenta al inversor y a Co. Finalmente, en la Figura 2-6c, el capacitor de salida Co es el encargado de entregar la energía previamente almacenada al

26

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

inversor. Cabe mencionar que debido a que Co es de un valor muy reducido, la eneraía u -

entregada durante este modo de operación resulta muy pequeña y permite modelar a Ls y a Co como una fuente de corriente, lo anterior es muy útil para obtener un modelo

simplificado del convertidor y analizarlo como si fuera una resistencia equivalente y una

fuente de corriente.

Figura 2-6. Modos de operación del converfidor CD-CD operando en MCD.

En la Figura 2-7 se muestra el diagrama simplificado del circuito del conformador de corriente. Cabe aclarar que el modelo presentado es un modelo promediado, es decir, en

este modelo todas las variables de corriente y voltaje representan los respectivos valores

promedio de las correspondientes variables en función del tiempo. Con base en esta

aclaración, la entrada de voltaje rectificado se sustituye por una fuente de CD como resultado de la inclusión del capacitor de filtrado. Rinv representa la resistencia equivalente del inversor y Rc es la impedancia que presenta el convertidor. Teóricamente, la energía disipada por esta resistencia es transferida a la fuente de corriente IC, que representa al inductor Ls y mediante la cual se entrega la energía "consumida" por Rc a la carga. Con este diagrama simplificado el siguiente paso es obtener la impedancia del

convertidor y el porcentaje de la potencia que maneja en función de su ganancia.

27

Figura 2-7. Modelo promediado simplificado

A continuación se presenta el análisis circuital del diagrama simplificado:

Tomando en cuenta que el conformador de corriente es en esencia un convertidor

reductor, siempre se tendrá que Vin>Vout y la corriente de entrada /in estará dada por:

(4) 1

Rc iin = -(Vi. - Vout) ; Vin>Vout

Debido a que el convertidor se modela únicamente mediante una resistencia y una

fuente de corriente, la potencia de entrada al convertidor CD-CD es la potencia en el

resistor libre de pérdidas (Rc), la ecuación que describe a esta potencia es igual a:

1 Rc

Pcin = Iin2Rc =-(Vi. - Voui)2 (5)

la potencia de salida del convertidor (Pco), será entonces la potencia entregada por la fuente de corriente IC, de manera que:

Pco-= IcVout (6)

cabe mencionar que Pco no es la potencia total entregada a la carga (Po). la cual está dada por la ecuación (7) y que depende de la potencia entregada por IC así como de la potencia entregada por la fuente de CD ( V h ) la cual se refleja en la ecuación (7) mediante la corriente de entrada /in:

Po = (IC f Iiny ' Rinv (7)

donde la corriente /c es igual a:

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

Vout Vin - Vout Rinv Re (8) IC = --

sustituyendo la ecuación (8) en la (6) se llega a:

Rc Vin pco=- (9)

de manera que la eficiencia del convertidor es:

Vout haciendo m = - se tiene que:

Vin

1 +1-- Re Rinv m c_

2 2 17c =

1 f-) --+1

despejando Rc:

de la ecuación (12) se obtiene el valor de la impedancia del convertidor en función de la eficiencia, la ganancia y la impedancia del inversor.

Para obtener el porcentaje de la potencia total que maneja el convertidor (Q) se tiene que:

Vin Re Pin = Vin * lin = - (Vin - out)

Q=,in * 100%

29

Tecnicas de Estabilización en Lámparas de Descarga

sustituyendo (5) y (13) en (14) se obtiene que:

1 -(Vi. - Vout)2 RC * 100%

Q = Vin -(Vi. - Voui) Re

expresando en términos de la ganancia (m) tenemos que:

En la siguiente figura se muestran las gráficas de las ecuaciones (12) y (16), para 10

cual se asume una eficiencia del 100% en el convertidor ( qc = 1 ) y las impedancias Rinv

y Rc se normalizan al valor de Rinv, de modo que en la Figura 2-8a Rinv es igual a uno y Rc resulta múltiplo de Rinv. La normalización es necesaria puesto que aún no se conocen las especificaciones de diseño del balastro ni el tipo de lámpara a utilizar, cuya

impedancia equivalente es requerida para poder estimar el valor de Rinv. De la gráfica de

la Figura 2-8a se puede observar que para cumplir con la condición de que Rc > Rinv la

ganancia (m) debe ser menor a 0.61 y entre menor sea esta mayor será la impedancia del convertidor. Así mismo, en la Figura 2-8b se observa que entre menor sea la ganancia mayor será la potencia manejada por el convertidor. Siendo que el convertidor es la etapa de menor eficiencia de todo el balastro, entre mayor sea la potencia manejada por este,

menor será la eficiencia total del balastro.

Figura 2-8. a) Resistencia del convertidor en función de m, b) Porcentaje de la potencia total manejada por

el converlidor.

30

equivalente del inversor

Una vez conociendo la ecuación que describe la potencia manejada por el convertidor en función de la ganancia, en la Figura 2-9 se muestran los modos de operación que se

tienen en el convertidor.

El hecho de descomponer el modelo promediado simplificado mostrado en la Figura

2-7 en estos dos modos de operación es con el objeto de encontrar la resistencia

equivalente del inversor cuando el resistor libre de pérdidas (Rc) está en serie con ella y

por tanto, cuando es Rc quien limita la corriente. Por otro lado, cuando es IC quien

alimenta al inversor, la energía transferida a éste viene limitada por la energía

previamente almacenada Rc, q ue no podrá ser sobrepasada y que también limitará la

corriente en la lámpara. De esta forma, la corriente a través de la lámpara estará limitada

mediante el resistor libre de pérdidas cuando este se encuentra en serie con el inversor,

así como de la operación en discontinuo cuando es la fuente de corriente quien alimenta

al inversor.

En la Figura 2-9a se presenta el diagrama del convertidor descomponiendo la

resistencia equivalente del inversor en las dos resistencias que se presentan en los dos

modos de operación. En la Figura 2-9b se muestra el diagrama equivalente del convertidor cuando el interruptor del convertidor está cerrado. En este modo de operación

Rc queda en serie con Rx que es la impedancia equivalente del inversor cuando la potencia se transfiere directamente de la fuente de alimentación a la carga. En la Figura 2-9c se tiene el diagrama equivalente cuando el interruptor del convertidor está abierto y

la potencia a lmacenada e n R c s e transfiere a I a fuente d e corriente IC, con I o cual se

alimenta a la impedancia equivalente del inversor que durante este modo de operación es representada por Ry.

Figura 2-9. Modos de operación del convertidor

31

Técnicas de Estabilización en Lámparas de Descarga

En la figura Figura 2-9a se observa que la resistencia equivalente del inversor Rinv se separó en dos partes de manera que:

Rinv = R, I1 R,

Con el propósito de simplificar el análisis se considera de nuevo una eficiencia del convertidor unitaria así como una resistencia equivalente del inversor Rinv normalizada, de modo que ambos valores son igual a uno y al expresar el valor de Rinv en función de SU voltaje y potencia se tiene que:

- 1 Rinv = - - V0Ut2

Pin

El siguiente paso es encontrar la ecuación que defina la resistencia Rx. Puesto que la potencia manejada por el resistor libre de pérdidas formado por el convertidor (Pc) está

dada por:

Pc = PinQ (1 9)

la potencia disipada en la resistencia Rx en el modo de operación presentado en la Figura

2-9b es:

de esta forma, el valor del resistor Rx es:

V0UtZ Pin(1- Q )

R, =

sustituyendo las ecuaciones (16) y (18) en (21) se tiene que:

I Rinv 1

de igual forma, la potencia disipada en la resistencia Ry en el modo de operación presentado en la Figura 2-9c es la misma que en Rc suponiendo que ésta transfiere toda su energía a la carga:

32

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para L4mparas de Descarga

P,, = P i n e (23)

de esta forma. el valor del resistor Ryes:

donde al sustituir la ecuación (18) en (24) se tiene que:

Rinv 1 Q Q

R,, =-=-

En la Figura 2-loa se muestra la gráfica de las ecuaciones (22) y (25) en conjunto con

la ecuación (12) mostrada anteriormente en la Figura 2-8a, en esta figura se muestra la

variación en el valor de Rx y Ry con respecto a la ganancia m y también se puede

observar que en este caso el valor máximo de la ganancia es de 0.5 para que la

impedancia d el convertidor R c sea m ayor a Rx. E n este a nálisis s o10 es i mportante e I valor de Rx puesto que es el valor de la resistencia que queda en serie con Rc y su valor

debe ser menor a este Último para cumplir con la condición de estabilidad antes

mencionada.

En la Figura 2-1Ob se presenta el cociente entre los valores de Rc y Rx lo que permite

observar mas claramente que la disminución en la ganancia hace que el valor de dicho cociente sea mayor, lo cual es deseable para este caso ya que implica una mayor eficiencia.

Figura 2-10. Graficas de la resistencia equivalenie Rxy su relación con la ganancia del convertidor.

33

Técnicas de Estabilización en Lamparas de Descarga

2.2.2.3 Distribución de potencias en el balastro

En la Figura 2-1 l a se muestra la distribución de potencias en un sistema tipico, donde el flujo de potencias se encuentra en cascada. La eficiencia total qT_Cosrodo para este

sistema es igual a:

donde qc es la eficiencia del convertidor CD-CD y q, es la eficiencia de la etapa

inversora.

En la Figura 2-1 1 b se presenta la distribución de potencias en la topología propuesta, la cual se obtiene a partir del modelo promediado simplificado mostrado anteriormente en la Figura 2-7, el producto Q*PTofal representa a la potencia manejada por el convertidor,

que a su vez es la energía almacenada en Lp cuando Mc esta cerrado y que

posteriormente se transfiere al inversor mediante Ls cuando Mc se abre. El resto de la energia (l-Q)*Proiai representa la potencia transferida directamente al inversor cuando el interruptor M c se encuentra encendido. En la figura mencionada se puede observar que solo una parte de la energía es procesada por el convertidor, lo que permite alcanzar una alta eficiencia total del sistema. La eficiencia de un sistema con esta distribución de potencias esta dada por:

donde Q es el porcentaje de la potencia total que maneja el convertidor.

34

Estudio y Aplicación de un inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

Figura 2-1 I . Distribución de potencias. a) sistema con dos etapas en cascada, b) topología propuesta.

En la Figura 2-12 se muestra la gráfica de las ecuaciones (20) y (21), asumiendo eficiencias del 95 y 98% en el convertidor e inversor respectivamente. De la gráfica se

puede observar que la eficiencia del sistema disminuye ligeramente conforme mayor es la

potencia manejada por el convertidor, sin embargo, esta disminución es mínima y de cualquier forma permite alcanzar una eficiencia total superior a la alcanzada por un sistema típico.

Figura 2-12. Gráfica teórica de la eficiencia total del sistema.

35

Técnicas de Estabilización en Lámparas de Descarga

2.3 Conclusiones

La única forma de estabilizar la corriente de descarga sin necesidad de cerrar el lazo

de retroalimentación, es colocar una impedancia en serie con la lámpara. Debido a que el uso de formas de onda cuadradas no permite el uso de un tanque resonante para estabilizar la descarga es necesario buscar otras alternativas de limitación de corriente. En este capitulo se propone una nueva técnica para estabilizar la corriente en la lámpara nunca antes reportada en la literatura y consiste en colocar un convertidor CD-CD operando en discontinuo y presentando una resistencia en serie con la lámpara. Este convertidor se comporta como un resistor y gran parte de la energia consumida por este resistor es transferida hacia la carga, es por esta razón que a este tipo de convertidores se les denomina resistores "libres de pérdidas". Debido a la configuración de esta nueva propuesta de estabilización, el proceso de estabilización resulta ser muy eficiente, a diferencia de los esquemas de estabilización basados en elementos pasivos, como son tanques resonantes e inductores.

Del análisis de la topologia se obtienen las caracteristicas necesarias para que el convertidor estabilice la descarga, mostrando el efecto que tiene la ganancia sobre la

impedancia y la potencia que maneja el convertidor. Las caracteristicas propias de la

topología propuesta muestran un mejor aprovechamiento de la energía, lo que se traduce en una mayor eficiencia del sistema en comparación con un sistema en el que el flujo de potencia se encuentra en cascada. El siguiente paso es el diseño del balastro con la topologia propuesta, así como el estudio y análisis de circuitos de encendido los cuales se presentan en el capitulo siguiente.

36

Una vez estudiado el comportamiento del convertidor propuesto como resistor libre de pérdidas, en este capítulo se presenta el balastro completo, analizando y justificando cada una de sus etapas y finalmente realizando el proceso de diseño.

3.1 Diagrama a bloques del balastro propuesto

En la Figura 3-1 se muestra el diagrama a bloques del balastro propuesto, formado por el convertidor CD-CD propuesto en el capítulo anterior, por un inversor no resonante para alimentar a la lámpara con formas de onda cuadradas y por un circuito de encendido O

ignitor el cual será el encargado de proveer la tensión necesaria para el establecimiento del arco de descarga, El proceso de diseno consistirá en analizar cada una de las etapas empezando por el convertidor CD-CD, para posteriormente continuar con el inversor e ignitor y establecer así las ecuaciones que definen los valores o características de cada uno de los elementos.

37

r . - + vin -- Convertidor -- CDZD -

- \

Figura 3-1. Diagrama a bloques del balastro propuesto.

I 3 - +

Inversor no reSO"B"t8

- - i \ ,

3.2 Cálculo de los componentes del convertidor CD-CD utilizado para estabilizar la descarga

En la Figura 3-2 se muestra el diagrama esquemático del convertidor, para realizar el

cálculo de los componentes del convertidor primeramente se toman en cuenta dos aspectos importantes:

El esfuerzo máximo de tensión en el Mosfet del convertidor

El grado de discontinuidad en las corrientes a traves de Lp y Ls

A continuación se presentan los análisis para ambos casos

Figura 3-2. Esquema general del convertidor

3.2.1 Análisis del esfuerzo máximo de tensión en el Mosfet del convertidor

A continuación se presenta el análisis del voltaje en el interruptor del convertidor Mc para que no sobrepase cierto valor límite.

38

Analisis y Diseao del Balastro

En la Figura 3-3 se muestra el circuito equivalente del convertidor cuando el interruptor

Mc se apaga y Dc conduce.

Figura 3-3. Circuito equivalente durante el estado de apagado del interruptor Mc.

La tensión en Mc esta definida por la ecuación (27), donde la tensión en Lp (VQ) es igual

a la tensión reflejada del devanado secundario al primario y ésta depende directamente

de la relación de vueltas (n) :

VMc = Vin + VLp - Vout (28)

donde: Vin = voltaje de entrada de CD

Vouf = voltaje de salida del convertidor

VLp = voltaje reflejado en el devanado primario

V L ~ = voltaje máximo en el devanado secundario

Vuc = voltaje en el interruptor Mc durante el apagado

La tensión en V,, es igual a Vouf cuando Mc se encuentra apagado, por tanto:

VLS - Vout v =-_- n n LP

sustituyendo (28) en (27) se tiene que:

V,, = Vin + Vout - - 1 (n 1 39

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

Esta ecuación define el voltaje en el interruptor Mc, de modo que proponiendo un valor máximo para V,, y conociendo los valores para Vin y Vout es posible calcular un valor de n que asegure que la tensión en Mc no supere el valor propuesto; despejando de (29) se tiene que:

Vout VMc i Vout - Vin

n =

3.2.2 Análisis del convertidor en modo de conducción discontinuo (MCD)

AI operar al convertidor en MCD, este tendrá tres modos de operación distintos que

dependen del estado del interruptor Mc y del tiempo en que conduzca Ls. En la Figura 3-4 se muestran estos tres modos de operación, que al hacer el análisis por medio del balance de energías en Volt-seg. generan la gráfica mostrada en la Figura 3-5.

Modo I , ModoII Modo 111

Figura 3-4. Modos de operación de convertidor en MCD.

Figura 3-5. Balance de energias en el inductor Lp

40

~ Analisis y Diseno del Balastro

Donde: Ts = periodo de conmutación

D = ciclo de trabajo

Dx = porcentaje del periodo en que Ls conduce

Dis = porcentaje del periodo en que el convertidor opera en MCD

n = relación de vueltas entre Ls y Lp

Por medio del balance de energías mostrado en la Figura 3-5 donde se establece que las areas formadas en los modos I y I / deben ser iguales, se obtiene que:

vour n

(Vin - Vout)DTs - -DxTs = O

Mediante una sencilla manipulación de la ecuación (31) se obtiene la función de

transferencia del convertidor, que'esta dada por:

D

-+D Vout - Vin Dx --

n

(33)

En la Figura 3-6 se muestran las corrientes en Lp y Ls con respecto al ciclo de trabajo

cuando el convertidor opera en MCD, durante este modo de operación se tiene que:

Dis + D + Dx = 1 (34)

Figura 3-6. Corrientes del convertidor durante la operación en MCD,

41

Estudio y Aplicacih de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

Donde AI, = rizo de corriente en Lp

AIh = rizo de corriente en Ls

Despejando Dx de la ecuación anterior y sustituyendo en (32) se obtiene la función de transferencia en función de la discontinuidad, además, se obtiene la relación entre D y Dis suponiendo que tanto rn como n son valores conocidos.

nD - - Vout Vin 1-Dis-D+nD

m=- (35)

la ecuación anterior permite proponer el grado de discontinuidad Dis y obtener así el valor

de D, despejando D se tiene que:

1 - Dis n - + I - n m

D =

Asumiendo una eficiencia unitaria donde la potencia de entrada es la misma que la

potencia de salida se tiene que:

VinIin = VoutIo (37)

donde: lin = corriente de entrada al convertidor

lo = corriente de salida

sustituyendo la ecuación anterior en la ecuación (34) se obtiene una ecuación mediante la cual se puede calcular el valor de /in a partir de valores ya conocidos mediante ecuaciones definidas anteriormente:

nD - Iin Io I -Disc-D+nD - _

además, debido a que en este convertidor la corriente de entrada /in es igual a la corriente

a través de Lp. es posible expresar la corriente de entrada de la siguiente manera:

D * A I , Iin =

2

42

(39)

' Anilisis y Diseiio del Bnlastro

donde el término de la derecha representa el área formada por la forma de corriente en el

inductor Lp mostrada en la Figura 3-6 Así, es posible conocer el valor de Ail,,,y calcular el

valor del inductor Lp por medio de:

donde

en el estado de "apagado".

VLP,,,, = voltaje en la inductancia Lp cuando el MOSFET Mc se encuentra

Ls se calcula usando la relación de vueltas, de modo que:

Ls = n2Lp (41)

La ecuación que define el valor del capacitor de salida resulta de analizar el circuito formado en el modo 111 de la Figura 3-4, donde la corriente a través del capacitor (IC) es:

AVout AVout IC = co- = co-

dt DisTs

donde AVout = rizo de tensión a la salida del converfidor

en este modo de operación la corriente IC es la misma que la corriente lo, donde lo es:

VOUf Io = - Rinv

(43)

puesto que para Co se propone un valor pequeño, sustituyendo la ecuación (41) en (42) y despejando AVouf se obtiene el valor del rizo de tensión a la salida para el valor de Co propuesto:

Vouf TsDis AVout = RinvCo

3.3 Selección del inversor

(44)

En la Figura 3-7 se muestra la posición del inversor en el balastro, donde Vouf es la

tensión de alimentación al inversor, o sea, la tensión de salida del convertidor y Vlamp la 43

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

tensión con que se alimenta a la lámpara, la cual es una forma de onda cuadrada cuya amplitud depende del tipo de inversor empleado. La Tabla 1 presenta un resumen de las características de los principales tipos de inversores alimentados en tensión.

TENSIÓN A LA

SALIDA DEL INVERSOR

n

ESFUERZO DE TRANSISTORES

FLOTADOS DESVENTAJAS VOLTAJE

U

Figura 3-7. El inversor

Amplificador

Medio puente

clase D

Puente completo

PUSh-PUll

Tabla I . Características principales de inversores alimentados en tension.

( VLAMP) Vout Señal de salida Vout 1

Voutl2 Dos capacitores Vout 1

asimétrica

de filtrado grandes

interruptores Vout Mayor número Vout 2

nVout Requiere de 2Vout O transformador

Para la selección del inversor, el principal factor que se toma en cuenta es el capacitor a la salida del convertidor (Co) que en este caso se encuentra conectado a la entrada del inversor y debe ser de un valor bajo para evitar el comportamiento como fuente de voltaje

y por tanto inestabilidad en la corriente de la lámpara, esta limitante evita la posible

implementación del inversor medio puente a causa de que este inversor requiere de dos

capacitores grandes de filtrado.

44

, Análisis y DiseRo del Balaitro

En base a las características mostradas en la Tabla 1 se opta por implementar el inversor puente completo ya que no requiere de capacitores de filtrado ni transformador y

brinda una señal simétrica a la salida.

3.4 Selección del ignitor

La elevación de tensión necesaria para el establecimiento del arco eléctrico en la lámpara se logra mediante el circuito de encendido o ignitor. A consecuencia de que el

balastro propuesto se diseñara para suministrar formas cuadradas de corriente a la

lámpara, el ignitor deberá adecuarse al balastro de modo que permita la aplicación de

tales formas de onda. A continuación se presentan algunos circuitos encontrados en la literatura, en la Figura 3-8a se muestra un esquema ~enci l lo '~ que consiste en un interruptor no controlado (spark gap), que es un supresor de descarga gaseosa y que permite la aplicación rápida de una di/& en un transformador, este tipo de ignitor es usado

en los balastros que operan ewbaja frecuencia. En la Figura 3-8bZ0 se muestra otro

circuito sencillo de encendido, este utiliza un Mosfet que se encarga de cargar la bobina

Ligl y que al apagarse forma una red resonante mediante la cual se aplica un pulso de

alta tensión con la ayuda de un fransformador. Las principales desventajas de ambos

circuitos consiste en son circuitos externos al balastro, lo que supone componentes extra y en consecuencia un aumento en el costo del mismo.

&

Figura 3-8. Esquemas revisados en la liferatura l 9 2n.

45

Estudio y Aplicación de un inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lamparas de Descarga

3.4.1 Topologías propuestas

Un aspecto importante en el desarrollo de un circuito de encendido es la posibilidad de integrarlo a la etapa inversora, eliminando de esta forma, interruptores extras para el ignitor.

En la revisión del estado del arte presentada en al capitulo 1, se encontró una topología integrada15 que consiste en un capacitor y una inductancia conectados en serie

donde la lámpara se conecta en paralelo con el capacitor (Figura 3-9). Para encender la lámpara requiere que el inversor opere en alta frecuencia, en la cual, los elementos del ignitor se encuentran en resonancia; transfiriendo una tensión a la lámpara lo suficientemente grande para encenderla. Una vez encendida la lámpara la frecuencia de operación del inversor disminuye y las impedancias de los elementos del ignitor cambian, de manera que sus efectos sobre la operación de la lámpara son insignificantes.

Figura 3-9. Ignitor integrado encontrado en la literatura I s

En el presente trabajo se proponen dos topologias cuyo objetivo es el de minimizar el valor de l a inductancia resonante y poder reducir así su tamaño. En la Figura 3-10 se

presentan las dos topologías propuestas, el ignitor resonante paralelo (RP) y el serie (RSE) respectivamente, ambas utilizan un transformador en lugar de una sola inductancia para elevar el voltaje, esto para alcanzar mayores voltajes de encendido con un menor valor en la inductancia total utilizada.

cx

Lb Lámpara '-, Lámpara

Figura 3-10. lgnitores propuertos, a) Ignitor resananfe paralelo (RP) b) Ignitor resonante serie (RSE)

46

Anslisis y Diseño del Balastro

3.4.2 Análisis

El a nálisis d e I os i gnitores se d ivide e n tres partes, primero s e p resenta u n a nálisis comparativo de las tres topologías presentadas, esto para encontrar el efecto que tiene el

uso del transformador en la capacidad de elevación de voltaje, en la corriente necesaria

para alcanzar dicho voltaje y en la energia manejada por la bobina resonante. El siguiente

paso consiste en obtener las ecuaciones para calcular los valores de los componentes en base a ciertas condiciones de operación que se plantearán a continuación. Por último se presenta el análisis para realizar el diseño magnético y poder estimar el tamafio del núcleo.

3.2.4.1 Comparación de las topologías

A continuación se presenta el análisis para determinar el volumen del núcleo asociado

a cada una de las topologias de ,ignitores, en la Figura 3-1 1 se muestran los circuitos de cada una de las topologías de ignitores utilizadas para el análisis.

v. .

Figura 3-11, Topologias analizadas. a)Igniior simple", b) Ignitor RP, c)lgniíor RSE 1

El máximo voltaje alcanzado en la bobina resonante (La) para todas las topologías

depende de su impedancia equivalente (XL) y de la corriente máxima a través de ella (IL). De modo que:

V , = I , X , = I,,Law, (45)

donde o, = frecuencia de resonancia o frecuencia de encendido

La energía almacenada en esta inductancia es:

47

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

La *I,' E =

2

En base a estas ecuaciones básicas se analizan las tres topologías con el objeto de encontrar las ventajas que presentan las topologias propuestas en lo que respecta al voltaje de encendido, la corriente necesaria en la inductancia resonante y la energia asociada a esta inductancia.

a) Análisis del ignitor simple encontrado en la literatura l5

AI analizar la malla del circuito formado por el ignitor y la fuente Vs que representa a la

salida del inversor mostrada en la Figura 3-1 la , tenemos que:

Venc = Vs i VLn (47)

donde V,, es el voltaje en la inductancia resonante durante la fase de encendido,

entonces se tiene que V,, >> Vs y por tanto

Venc, = V,, = I,,Law, (48)

Por esto se considera al voltaje en la inductancia como el voltaje de encendido Venc y debido a que la corriente a traves de ella es la que genera dicho voltaje la llamaremos la

corriente de encendido lenc, de modo que de la ecuación (48) se tiene que:

Venc lene, =- oLa (49)

I

asi mismo, despejando La de la ecuación anterior y sustituyendo en (454, la energia manejada por La es

Venc * Ienc E" =

20,

b) Topología propuesta: lgnifor resonante paralelo

Analizando el circuito mostrado en la Figura 3-1 1 b y asumiendo que V, >> Vs se tiene

que:

48

Anhlisis y Diseño del Balastro

Venc, = nV, = nlencLaw, (51)

sustituyendo en la ecuación (45) y despejando se tiene que:

Venc lenc, = - no,La

despejando La de la ecuación (52) y sustituyendo en (46):

Venc *,lene 2 n o ,

Eb = (53)

c) Topología propuesta: lgnitor resonanfe serie

AI analizar el circuito de la Figura 3-1 IC y asumiendo de igual forma que VLa >> Vs se

tiene que:

Venc, = (n+ l )V , = (n+l)IencLaw, (54)

despejando ienc se tiene que:

Venc (n + l)w, La

lenc, =

despejando La de la ecuación (55)'y sustituyendo en (46):

Venc * ienc (n + i)2OS

E, =

(55)

En la Tabla 2 se muestran los resultados del análisis normalizados a los resultados obtenidos de la topología encontrada en la literatura. Con esta tabla se muestra mas claramente que el uso de un transformador en el ignitor proporciona un aumento en la ganancia de tensión en el encendido. Si la tensión de encendido es la misma en todos los

casos, esto se traduce en una reducción de la corriente de encendido necesaria para alcanzar dicho voltaje; evitando así el tener que sobredimencionar los interruptores del

inversor para soportar la corriente. Además, se presenta la energía en la inductancia

resonante, que está directamente relacionada con el tamaño del núcleo a utilizar. Sin embargo, no se asegura una disminución en el volumen del núcleo debido a que para

49

Estudio y Aplicacibn de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

hacer esto se tendría que tomar en cuenta el segundo devanado y estimar el espacio que

este ocupa

3.2.4.2 Diseño de los componentes

Las condiciones para que el ignitor RSE mostrado en la Figura 3-11c circuito opere adecuadamente son:

Incrementar la impedancia equivalente de Cx una vez que se genera la descarga

para que la corriente a traves de el sea despreciable en relación a la corriente de

la lámpara en estado estable.

Disminuir la impedancia equivalente de la inductancia en serie con la lámpara durante el estado estable para que sus efectos sobre la lámpara sean

despreciables. En esta topología, tal impedancia corresponde a la suma de las impedancias equivalentes en estado estable individuales de ambos devanados.

El valor del capacitor Cx se diseña para que en estado estable presente una alta

impedancia, de modo que tomando en cuenta el valor absoluto de la impedancia del

capacitor se tiene que Cx esta dado por:

50

Analisis y Diseño del Balastro

1 cx=- wxc (57)

donde w = 2$, f es la frecuencia de operación del inversor y Xc el valor absoluto de la

impedancia del capacitor, ambas en estado estable. Una vez calculado el valor de Cx se obtiene La, de manera.que ,ambos se encuentren en resonancia o cerca de ella a una frecuencia dada. Siendo la frecuencia de resonancia en un circuito LC igual a:

1 'O,, = - JLacx

entonces:

1 L, =- 0,y2CX

(59)

por último, la inductancia Lb se obtiene a partir de la impedancia serie máxima que esta

dada por:

entonces:

*Lrnsx L, <- w

el valor de XLmai se propondrá en la fase de diseño de manera que su valor absoluto sea

de un valor relativamente .pequeño con respecto a la impedancia equivalente de la lámpara.

3.5 Integración de etapas y circuito de comando

Una vez descrito el convertidor y el circuito de encendido o ignitor en la Figura 3-12 se

presenta el diagrama esquemático del balastro con todas sus partes. Para el correcto funcionamiento del balastro se requiere de un circuito de comando que controle la

operación del inversor y del convertidor, realizando una correcta secuencia entre los dos.

51

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

Para realizar el comando del inversor y convertidor CD-CD se propone usar un

microcontrolador con el fin de simplificar el circuito, para la selección del dispositivo se buscó un modelo que contará al menos con un módulo PWM, con un ciclo de reloj que permita generar señales a frecuencias de varias decenas de kilohertz y varios

temporizadores; todo esto para simplificar la programación. En la familia 16F87X de

Microchip se cuenta con varios dispositivos de estas características, por razones de

disponibilidad se selecciona el PIC1 6F876 para realizar el trabajo; sin embargo, dentro de

la misma familia se cuenta con el PIC16F628 que posee las mismas características

deseadas pero con un menor tamaño y costo.

Figura 3-12. Circuito completo del balasíro.

En la Figura 3-13 se presenta el diagrama a bloques que muestra al microcontrolador y

la forma en que actúa sobre el balastro. Las señales que debe generar este dispositivo se presentan en la Figura 3-14, donde se muestra la secuencia utilizada para encender a la lámpara y mantener el arco de descarga.

+ VLAMP -

Ciclo de Frecuencia de Trabajo Operacibn

K

Figura 3-13. Esquema general del circuito de comando.

Las fases de operación son las siguientes:

52

1. Pre-ignición 1 . ,

2. Ignición

3. Calentamiento

lgnicibn Caleniamienio i

Preignicibn i

Figura 3-14. Señales de comando para los interruptores del bolastro.

Durante la fase de pre-ignición, el convertidor debe empezar a operar para elevar su

voltaje de salida (Vouf) y poder iniciar el proceso de encendido. Una vez que se tiene el voltaje de salida del convertidor listo para alimentar el inversor, este debe operar en alta

frecuencia para lograr que los elementos del ignitor entren en resonancia, elevando el

voltaje en la lámpara lo suficiente para iniciar la descarga. El numero de pulsos requeridos en el inversor para elevar el voltaje y encender la lámpara depende de la ganancia del ignitor y de lo cerca que esté la frecuencia del inversor a la frecuencia de resonancia real. Una vez generada la descarga, el inversor deberá disminuir su frecuencia de operación, permitiendo al balastro alimentar con formas cuadradas de corriente a la lámpara e iniciando la fase de calentamiento; donde la resistencia equivalente de la lámpara aumentará paulatinamente hasta alcanzar su valor nominal.

3.6 Diseño del Balastro

En este apartado se presenta el diseño del balastro siguiendo las ecuaciones

mostradas anteriormente en las distintas etapas. Para empezar con el diseño del balastro es necesario definir primeramente la carga a utilizar, esta será una lámpara de

53

Estudio y Aplicación de un inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

halogenuros metálicos, Mastercolour CDMR-70W Phillips, siendo una de las que presentan mayor dificultad técnica debido a que requiere elevados pulsos de tensión al encendido y por el fenómeno de resonancias que es común en ella. Este tipo de lámpara es de una potencia de 70W con un voltaje eficaz de operación de 9OV, además, se decide alimentar al balastro desde un voltaje de CD de 310V para disminuir su ganancia y lograr así aumentar en lo posible la impedancia que el convertidor presenta a la carga. Cabe

mencionar que los 310V de alimentación se obtendrían al rectificar y filtrar una tensión eficaz de linea de 220V, que es la tensión con que típicamente se alimenta a balastros para lámparas de este tipo.

3.6.1 Especificaciones de diseño

Una vez seleccionada la carga y el voltaje de entrada al convertidor se presentan las

principales especificaciones para llevar a cabo el diseño del balastro.

Vin = 310 V (tensión de alimentación al balastro)

Vout = 9OV (tensión de salida del convertidor)

ILAMP = 778 mA (corriente nominal de la lámpara)

RUMP = 116 fl (impedancia equivalente de la lámpara en estado estable)

fc = 40 kHz (frecuencia de operación del convertidor)

fs = 130 kHz (frecuencia de operación del inversor durante el encendido)

f = 400 Hz (frecuencia de operación del inversor en estado estable)

Vomax = 310V (tensión máxima posible a la salida del convertidor)

XLm,,= 4 fl (impedancia máxima de la inductancia serie del ignitor en estado estable)

VMc = 400 V (Tensión de bloqueo de Mc)

Con estas especificaciones, en la siguiente figura se muestran las impedancias

equivalentes en el convertidor y la carga analizadas en el Capítulo 2, se puede observar que la impedancia del convertidor es considerablemente mayor a Rx y a RUMP cumpliendo con el objetivo propuesto.

54

Figura 3-15, Impednncin del convertidory la resistencia equivalente Rx enfunción de m.

3.6.2 Convertidor

Cálculo de la relación de vueltas

Para realizar el diseño del convertidor, el primer paso es determinar la relación de

vueltas entre los devanados de Lp y Ls, esta relación de vueltas depende del voltaje máximo propuesto para Mc así como de los voltajes de entrada y salida en el convertidor.

El caso extremo donde la tensión en el interruptor llega a su mayor valor se presenta

cuando el voltaje de salida es igual al voltaje de entrada; lo cual solo se logra si el

convertidor está operando y la lámpara no se encuentra encendida. Este caso se presenta

únicamente en la fase anterior al encendido, cuando el convertidor opera un cierto tiempo para e levar I a tensión d e s alida y con esto poder encender a I a I ámpara. Además, e s

necesario recordar que las formas de onda de tensión en Mc no serán ideales, debido a

los sobretiros de tensión que se tendrán durante el apagado ocasionados por el alto d$t

presentado en Lp.

Entonces, para Vo,,,= 310 y VMc = 400 por medio de la ecuación (31) se obtiene

Calculo de D y de las inductancias Lp y Ls

: 55

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

Ahora se propone el grado de discontinuidad, para una discontinuidad de 0.6 y de la ecuación (35) se tiene que

1 - Dis n - + l - n m

D = = 0.138

la corriente promedio de entrada se calcula con la ec. (37), de modo que

= 0.225A nIoD 1 -Disc - D i nD

Iin =

y de la ecuación (38) se obtiene el valor del rizo de corriente en Lp

2 Iin - 3.26A M L p = D -

el voltaje en Lp se determina por la diferencia de voitajes entre la entrada y la salida, de modo que el valor de Lp se obtiene con la ecuación (39):

Ls se calcula mediante la ecuación (40)

Ls = n2Lp = i39pH

el valor para AVout para Cx = 1pFes:

VoutTsDis AVout = =11.6V RinvCo

El Mosfet del convertidor se selecciona en base a una tensión de bloqueo superior a los 400V para brindar un margen de seguridad al dispositivo. El dispositivo seleccionado

es el Mosfet IRF840. Sus principales características son:

V(BR)DSS = 500V (Voltaje de rompimiento drenaje-fuente)

RDs(on) < 0.85 fl (Resistencia estática de encendido de drenaje-fuente)

56

Anblisis y Diseno del Balastro

ID = 8 A (Corriente continua de drenaje)

El diodo utilizado es el MUR860, cuyas principales características son:

VRRM = 600V (voltaje de rompimiento catodo-ánodo)

IF = 8A (corriente continua directa)

t, c 70ns (tiempo de recuperación inversa)

3.6.3 Diseño del inversor .

Los interruptores del inversor se seleccionan de modo que soporten la fase de

encendido y calentamiento de la lámpara, donde los valores en la tensión de bloqueo y la

corriente llega a sus valores máximos. Para el balastro se seleccionó el Mosfet IRF840

para usarse como interruptores en el inversor.

3.6.4 Diseño del ignitor

Cálculo de los elementos

El primer paso es proponer la impedancia del capacitor en estado estable, en el cual se

tiene una frecuencia de operación de 400Hz. Con el objeto de tener una impedancia muy

grande en relación a la de la lámpara se propone que Xc = 40kQ ( X c >> R,,, ). De

modo que con la ecuación (56) se tiene que

1 Cx = - = 9.91nF 'Y lOnF 2 f l c

con Cx se calcula el valor de La con la ecuación (58)

= 149.8uH 1 L" =

(WJ2 c x

la inductancia Lb se obtiene a partir de la ecuación (60), proponiendo X,,,, = 4S2:

= 1.59mH Lb < XL max w

57

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

Lb debe ser lo menor posible para no afectar la operación de la lámpara pero lo suficiente

para elevar la tensión y encender la lámpara, de modo que se propone Lb = 400pH. De

esta manera la inductancia total utilizada en el ignitor será de 649pH (La+íb), en la Tabla

3 se muestra una comparación entre los valores utilizados en una topología encontrada en la literatura basada en el ignitor simple l5 y el ignitor RSE propuesto. De la tabla se puede apreciar que la inductancia total utilizada en el ignitor propuesto es menor aun

cuando la frecuencia de encendido o de resonancia es considerablemente menor

IGNl TOR FRECUENCIA DE VALOR DEL ENCENDIDO CAPACI TOR

Ignitor Simple 185 kHz 750nF

Ignitor RSE 130 kHz lOnF Propuesto

INDUCTANCIA TO JA L

ImH

649pH

A continuación, en las Tablas 4 y 5 se presenta un procedimiento ya establecido para

el diseño del transformador " 23.

3.7.1 Transformador del convertidor

Las especificaciones son:

1. Densidad de corriente J = 200 c.m./A

2. Corriente pico en el devanado primario (Lp) AI, = 3.26 A

3. Corriente pico en el devanado secundario (Ls)

4.

5. Relación de vueltas n = 0.775

MI-, = 4.25 A

Densidad de flujo máximo en el núcleo B,",, = 1000 T

6. lnductancia del devanado primario Lp = 233pH

58

-- - --

VALORES VALOR PASO FORMULA GENERAL

CALCULADO

Analisis y Diseao del Balastro

7. lnductancia del devanado secundario Ls = 1 3 9 m

Tab[a 4.

1 Área nominal

Selección del calibre del

conductor

Producto de areas

Selección del núcleo

Longitud del entrehierro

I

Número de vueltas en Lp

Número de

vueltas en is

~

MefOdOIOgía 0 secuencia de diseño del transformador de[ convertidor.

A, =850 c.m. A, =652 c.m. A, = J . N I , J = 200 c.m./A

AILp =3.26 A AIk =4.25 A

AL, = J . AI, 4L, = 0.0276" 4, = 0.0386"

AWG # 20

AWG # 22

4Lp = 0.0276"

@Lr = 0.0386"

A, = 1 .O7 cm4 (19L, .AI, .@fi2)108 Bmx =loo0 T A, = B,,

Núcleo K , =0.1516 cm5

A,=1.618 cm4 seleccionado A, =1.458 cmz A, = i . i i crnz RM12 3085 MLT = 6.2 cm

LS = 139pH AI, = 4.25 A

(0 .4~ . L, . AI,* )o8 Ig = 0.3 cm 2 lg =

A,B,,, B,,, =lo00 T A, = i . i i cmz

B,,,, = 1000 T Ns = Ig = 0.3 NS = 54 B,,, 'k

0.477. AI,

Np = 42 Ns = 54 n = 0.775

Np = nNs

59

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante corno Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

-

PASO FORMULA GENERAL VALORES VALOR CALCULADO

A,, =I500 c.m. A, = 480 c.m. 4" = 0.0431" 4, = 0.0249"

J = 200 c.m./A Ipp, = 10 A Ipp, = 0.8 A

Área nominal A, = J . Ipp,

A, = J . I p P ,

Selección del #o = 0.0431" AWG # 18

AWG # 23 calibre del conductor

Producto de

q5b = 0.0249"

A , =1.75cm4 (12.66. La , Ipp, . bo8 B,,, =2000 T áreas A, = ',ax

K , = 0.99 cm5 Núcleo A, = 1.82 cm4

A, = 0.974 cmz Ae = 1.87 cm2 MLT = 7.2 cm

seleccionado

ETD34 3C85

Selección del núcleo

3.7.2 Transformador del ignitor

Anhlisis y Diseño del Balastro

Continuacidn de la Tabla 5

Longitud del entrehierro ( 0 . 4 ~ . L r r . l p p ~ ~ ) 0 ~

A, B,",, Ig = 2

Lb=149pH Ipp, =10A

B,,,, = 2000 T Ig = 0.25cm

Número de vueltas en La

Número de vueltas en Lb

3.8 Resultados de Simulación

A, = 1.87 cm2

Ig = 0.25 B,, =2000 T

NS = 54 n = 0.775

Na = B,", 'k Na = 54 0 . 4 ~ . AILr

Nb = nNa Nb = 65

En esta sección se presentarán los resultados obtenidos de las simulaciones

realizadas en el balastro, las cuales se realizaron en Orcad PSpice ver. 9.1. En la Figura

3-16 se presenta el diagrama del balastro simulado, mostrándose las diferentes etapas

que lo conforman.

I I I

Figura 3-16. Diagrama del balastro simulado en PSpice.

61

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

3.8.1 Simulaciones en el pre-encendido e ignición

En la Figura 3-17 se muestra el esfuerzo de tensión en Mc durante la fase anterior ai encendido, se puede comprobar que el voltaje en este no sobrepasa los 400 V, lo que concuerda con los cálculos realizados.

Figura 3-17, Esfuerzo de tensión en Mc durante elpre-encendido.

En la Figura 3-18 se presenta el voltaje a la salida del ignitor al momento en que el

inversor opera en alta frecuencia, se puede apreciar que en un tiempo menor a 5 0 p se

puede alcanzar una tensión cercana a los 20kV. comprobando que el ignitor propuesto posee la capacidad de elevación de voltaje necesaria para encender a la lámpara.

r u I

Figura 3-18. Voliaje en la lámpara ypulsos de control en el inversor.

62

Analisis y Diseno del Balastro

3.8.2 Simulaciones en régimen permanente

Durante la operación en régimen permanente, el máximo esfuerzo de tensión en Mc se

debe a sobretiros de tensión en el apagado que dependen en gran medida del grado de acoplamiento entre los devanados de Lp y Ls, en la simulación se propuso un acoplamiento de 99.5%. En la Figura 3-19 se muestra el esfuerzo de tensión en Mc, que

tiene un valor máximo cercano a los 500V y disipa una potencia promedio de 3.8W.

Figura 3-19, Esfuerzo de tensión y potencia promedio en Mc en regimen permanente.

En I a F igura 3 -20 se presenta e I voltaje y I a corriente e n I a I ampara, donde a mbos

tienen forma cuadrada de acuerdo al diseno.

Figura 3-20. Voltaje y corriente en la lámpara.

63

Estudio y Aplicaci6n de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

En la Figura 3-21 se muestran las corrientes en Lp y Ls así como los pulsos de control en Mc, donde se observa que la discontinuidad en el convertidor cumple con las especificaciones de diseño.

Figura 3-21, Corrientes en Lp y Ls.

Debido a la forma cuadrada en voltaje y corriente, la potencia instantánea debe ser

casi continua y tener un valor cercano a la potencia nominal en la lámpara; ésto se muestra en la Figura 3-22, donde a la vez se muestra que la eficiencia del balastro es de 93.4%.

. . . . . ~ . .

,ir

Figura 3-22. Potencia instantanea en la lámpara y potencias promedio de entrada y salida.

64

AnSlisis y Diseño del Balastro

Otro punto importante es el determinar que porcentaje representa la corriente a través de Cx con respecto a la corriente en la lámpara. Para esto se presenta la Figura 3-23

mostrando las corrientes eficaces en ambos elementos, donde la corriente a través de Cx representa el 4% de la corriente en la lámpara.

Figura 3-23. Corriente eficaz en la lámpara y en Cx

3.9 Conclusiones

En este capítulo se presentó el análisis y diseño del balastro, tomando en cuenta

diferentes consideraciones en el convertidor como son: esfuetzo de tensión en el Mosfet y

grado de discontinuidad de sus corrientes. También se propusieron dos topologías de

ignitores integrados al balastro, llevándose a cabo su análisis y comparación con una

topología encontrada en la literatura; presentando mejoras que hacen factible su implementación en el balastro y realizando el respectivo diseño.

Las especificaciones de diseño fueron comprobadas mediante la simulación del circuito en PSpice, lo que permitió verificar el correcto funcionamiento del balastro.

65

Estudio y Aplicación de un inversor no Resonante como Balastro Electróuico para Lámparas de Descarga

66

IMPL EMENTA ClÓN

EXPERIMENTAL DEL BALASTRO

En este capítulo se presenta la forma en que se llevó a cabo la implementación del

balastro, presentando el diagrama de conexiones del circuito de comando y su

interconexión con la etapa de potencia así como el circuito impulsor utilizado en el

convertidor. Además, se describe la necesidad de una secuencia de arranque debido a las características propias de la lámpara. Finalmente, se presentan los resultados

experimentales obtenidos con el prototipo.

4.1 Implementación

4.1.1 Circuito de comando

En la Figura 4-1 se muestra el diagrama de conexiones del PIC16F876 utilizado para el

comando del balastro. Durante el encendido y establecimiento del arco de descarga se genera una gran cantidad de ruido, lo que no solo provoca apagados o "resets" involuntarios sino también pone en peligro al dispositivo. Por esto, se decidió aislar la

67

Imnlementaeibn Experimental del Balastro

etapa de potencia del microcontrolador mediante el uso de optoacopladores, separando así los planos de tierra y protegiendo al circuito de comando.

Figura 4-1. Circuito de comando con e/ microcontrolador PIC16F876

4.1.2 Impulsor del convertidor

Para el disparo de Mc fue necesario implementar un impulsor flotado basado en un circuito encontrado en la literatura”, en dicho articulo el circuito se utiliza para reducir las pérdidas en el apagado, acelerando los tiempos de carga y descarga de la capacitancia

de compuerta del Mosfet. El circuito impulsor se muestra en la Figura 4-2. Circuito

impulsor para Mc.

...........................................

................ ~ ~ ~ , ~ c ~ ~ ~ ~ ~ n /

DZ MC R

.................. Torold, o2 * : ! ..............................................

Impulsor

Figura 4-2. Circuito impulsorpara Mc.

68

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

4.2 Resultados experimentales

4.2.1 Resultados en pre-encendido e ignición

En la Figura 4-3 se muestra el esfuerzo de voltaje en Mc durante la fase de pre-

encendido, donde se puede observar que la magnitud del voltaje sobrepasa ligeramente

el valor estimado.

Chl Mix 432 V

Figura 4-3. Esfuerzo de tensibn en Mc duranie elpre-encendido

En la Figura 4-4 se muestra el voltaje y la corriente en la lámpara al momento del

encendido, se puede apreciar que el voltaje de encendido alcanza los 3 kV mientras que la corriente tiene un impulso de aproximadamente 20 A. AI observar que el voltaje de encendido se alcanza rápidamente se optó por aplicar solo 4 pulsos en alta frecuencia mediante el microcontrolador.

69

Figura 4-4. Voltaje y corriente en la lámpara en el encendido.

4.2.2 Resultados en régimen permanente

4.2.2.1 Desarrollo de la secuencia de arranque

Una vez que la lámpara enciende, la impedancia equivalente de la lámpara disminuye

a unas cuantas decenas de ohms y aumenta gradualmente durante la fase de

calentamiento hasta llegar a su valor nominal y entrar en régimen permanente. La

disminución en la impedancia equivalente representa una sobrecarga para el convertidor,

que al haber sido diseñado para otras condiciones y estar operando en lazo abierto no

está preparado para una mayor demanda de corriente. Por tanto, de no haber una

secuencia de arranque suave el convertidor entra en modo de conducción continuo (MCC) durante esta fase, ocasionando esfuerzos excesivos para los dispositivos semiconductores del balastro así como una disminución en la vida útil de la lámpara al

suministrarle demasiada corriente en este periodo.

El cálculo de una secuencia de arranque correcta requiere conocer el comportamiento

de la lámpara durante su calentamiento, siendo que éste varía en función de la temperatura y del grado de envejecimiento de la misma; la secuencia se determina de

forma experimental. El primer paso es encontrar el ciclo de trabajo mínimo del convertidor

que suministre la energía necesaria para mantener el arco de descarga una vez que la lámpara ha encendido. A partir de este ciclo de trabajo, se aumenta gradualmente a lo

70

Estudio y Aplicación de un inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

largo de un minuto y medio que es el tiempo aproximado en que una lámpara del tipo utilizado alcanza el 80% de sus caracteristicas nominales.

El ciclo de trabajo minimo para el cual se pudo asegurar el encendido y mantenimiento

del arco de descarga fue de aproximadamente 8.5%, lo que representa un 60% del ciclo

de trabajo final. En la Figura 4-5 se muestra la gráfica de D con respecto al tiempo, mostrando los cambios graduales en el ciclo de trabajo durante la fase de calentamiento.

En la Figura 4-6 se muestra la evolución del voltaje y corriente en la lámpara durante el

calentamiento, señalando el ciclo de trabajo correspondiente.

Figura 4-5. Ciclo de trabaja durante el calentamiento

, . . . . . . .

Figura 4-6. Evolución del voltaje y la corriente en la lámpara durante el calentamiento

4.2.2.2 Operación en estado estable

En la Figura 4-7 se presenta el voltaje, corriente y potencia instantánea en la lámpara, se puede apreciar la forma cuadrada en voltaje y corriente asi como una potencia casi continua. AI obtener estas formas de onda experimentalmente se puede observar que la

71

Implementación Experimental del Balastro

corriente se mantiene estable y por tanto se demuestra la hipótesis de estabilizar la corriente en una lámpara de descarga mediante el convertidor CD-CD.

Chl RMS 9ü.2 V

Ch4 RMS 748mA

. . . . . . , . . . . .

at. Promedio 65.16W

Figura 4-7. Voltaje, corriente y potencia en régimen permanente.

En la Figura 4-8 se muestra el esfuerzo de tensión, la corriente y la potencia instantánea en Mc. la potencia promedio medida fue de 2.3 W siendo este dispositivo el que mayor cantidad de pérdidas presenta. También se puede observar que la tensión en Mc presenta sobretiros similares a los mostrados en la simulación, de aproximadamente

500V y no mayores a 350V para el resto del periodo.

Figura 4-8. Esfuezo de tensión, corriente y potencia instantánea en Mc.

72

Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

En la Figura 4-9 se muestran las corrientes en la lámpara y a través del capacitor del ignitor Cx, donde se puede apreciar que efectivamente esta corriente representa un

pequeño porcentaje en relación a la de la lámpara, solo del 4%.

r . . . . . . . . .

Chl RMS 30.2mA

CliZ RMS 747111A

.L I : I . . . . . . . . . . . . . .~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - - . . : .+; :&

Figura 4-9. Corrientes insiantaneas en la lámpara y en Cx

La eficiencia alcanzada por el balastro fue del 94%, cabe mencionar que la corriente a

través de Cx no afectó de manera perceptible la eficiencia del balastro.

4.2.3 El efecto de la impedancia del convertidor en la estabilización

Como parte del estudio del efecto que tiene la resistencia libre de pérdidas en la

estabilidad de la lámpara se realizó una prueba, ésta consistió en encender la lámpara

desde 310V y dejar que esta adquiriera sus valores nominales, posteriormente se disminuyó la tensión de entrada al mismo tiempo que el ciclo de trabajo se ajustaba para mantener a la tensión de salida constante. Los resultados experimentales mostraron que conforme se disminuía la impedancia equivalente del convertidor, la lámpara se hacia más sensible a variaciones o disminuciones en su potencia, apagándose más fácilmente ante

disminuciones en su potencia. En las pruebas realizadas, el arco de descarga en la

lámpara se extinguió al alimentar desde aproximadamente 135V, lo que de acuerdo a la

curva de impedancia de Rc mostrada en el capitulo 2 representa una impedancia equivalente del convertidor de 95n.

73

Implementación Experimental del Balastro

4.2.4 Comportamiento de la lámpara alimentada con formas de

onda cuadradas en baja frecuencia.

Las lámparas de descarga sufren variaciones en sus parámetros eléctricos (resistencia equivalente, voltaje y corriente) conforme se producen variaciones en su potencia eléctrica. El estudio del comportamiento de la lámpara tiene como objetivo analizar la forma en que se producen estas variaciones en sus parámetros eléctricos.

Una vez con la lámpara operando de manera estable, se realizó un barrido en el ciclo de trabajo d el convertidor con e I f in d e d isminuir I a corriente a través d e I a I ámpara y registrar sus respectivas variaciones en el voltaje; ésto permitió graficar la impedancia y la potencia en la lámpara con respecto a las variaciones en corriente. A continuación se presentan los resultados obtenidos en la lámpara CDMR-70W Phillips. En la Figura 4-10

se muestra la gráfica de corriente-voltaje en la lámpara así como la variación en la potencia de la lámpara con respecto a la corriente de la misma.

a). Corrienfe vs Volfaje de lámpara b). Corriente vs Potencia de lúmpora

Figura 4-10. Resultados experimentales en lámpara CDMR-70 WPhilips.

De las gráficas anteriores se puede concluir que:

Cuando la corriente en la lámpara disminuye a valores por debajo del 70% de su corriente nominal, el voltaje cambia su pendiente y aumenta.

La relación corriente-potencia tiende a ser casi lineal.

74

Estudio y Aplicaci6n de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

La relación del voltaje con respecto a la corriente en la lámpara es de orden superior.

AI comparar los resultados obtenidos en la lámpara CDMR-7OW Phillips con el balastro

propuesto, con resultados reportados en la literaturaz4 para el mismo tipo de lámpara, se

encontró un comportamiento similar en un balastro que alimenta a la lámpara con formas

de onda sinusoidales en alta frecuencia y que utiliza un control para eliminar las resonancias acústicas. Los resultados se muestran en la Figura 4-1 1, la Única diferencia

significante consiste en que la pendiente en el voltaje eficaz cambia al disminuir la

corriente por valores debajo del 80% de la corriente nominal.

Figura 4-11. Resultados obtenidos con formas de onda sinusoidales encontrados en la literatura ".

En la Figura 4-12 se muestra la variación de la impedancia equivalente de la lámpara con respecto a la corriente, se observa que la impedancia tiende a aumentar conforme la corriente en la lámpara disminuye.

Figura 4-12. Grófica de Corriente vs. Impedancia

75

Estudio e Implementación de un Inversor No Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga

4.3 Conclusiones

Por medio de la implementación del balastro se comprobó la hipótesis de estabilizar la corriente mediante el convertidor CD-CD, logrando esto de manera satisfactoria. LOS esfuerzos excesivos en el interruptor del convertidor durante la fase de calentamiento debidos a la baja impedancia de la lámpara se aminoraron mediante una secuencia de arranque, la cual consistió en un aumento gradual del ciclo de trabajo. También se

comprobó la capacidad del ignitor de elevar el voltaje con pocos pulsos de alta frecuencia y utilizando una inductancia total reducida.

76

CONCLUSIONES Y TRABAJOS

FUTUROS

5.1 Conclusiones

En el presente trabajo se aborda el problema de resonancias acústicas en lámparas de

alta intensidad de descarga mediante el uso de formas cuadradas de corriente en baja

frecuencia. Con esto, el principal reto en el desarrollo del balastro es la imposibilidad de

usar el tanque resonante para el encendido y estabilización de la descarga; Io cual se soluciona mediante el uso de un convertidor CD-CD como limitador de la corriente y se implementa una topología de ignitor integrada al inversor.

Dado que la limitación de la corriente se hace mediante las características propias del convertidor, el prototipo construido opera en lazo abierto. AI no utilizar un control para limitar la corriente en la lámpara, la fase de calentamiento resultó ser un importante

problema a resolver debido a la considerable disminución de la impedancia equivalente de

la lámpara. Para limitar la corriente durante esta fase y evitar un sobrecalentamiento en el convertidor se implementó una secuencia de arranque que se estableció

77

Estudio e Implementación de un Inversor No Resonante como Baladro Electrónico para Lámparas de Descarga

experimentalmente al no conocer el comportamiento exacto de la lámpara durante esta fase.

El u so d el convertidor como resistor I ibre d e p érdidas p ara I imitar I a corriente d e I a lámpara en un balastro resultó ser una novedosa aplicación de esta característica, al no haberse reportado anteriormente en la literatura algo similar. En las pruebas realizadas se observó el efecto de la impedancia equivalente del convertidor sobre la lámpara, mostrando que la lámpara se hacia mas sensible a variaciones en su potencia conforme menor es la impedancia del convertidor.

En lo referente al ignitor, con la construcción del prototipo se comprobaron las buenas características de operación del circuito, al utilizar una baja inductancia total y lograr alcanzar el voltaje de encendido rápidamente mediante la operación en alta frecuencia del inversor. Con base a los resultados obtenidos se concluye que este circuito también se

puede utilizar para el encendido en caliente, haciendo algunas modificaciones al diseño

para conseguir un voltaje de salida mayor a 25 kV. Estas modificaciones consistirían básicamente en aumentar la relación de vueltas entre los devanados para incrementar la ganancia y aumentar la frecuencia de resonancia para reducir el tamaño de las inductancias y reducir así el volumen del transformador. El estudio e implementación del circuito de encendido presentado es una importante aportación de este trabajo.

En general, el balastro propuesto solucionó los problemas para los cuales fue

diseñado, limitando adecuadamente la corriente en la lámpara y en consecuencia logrando estabilizar la descarga. Debido a la operación en baja frecuencia del inversor la lámpara no presentó resonancias acústicas y las pérdidas en la etapa inversora fueron

mínimas.

En el prototipo construido se alcanzó una alta eficiencia, mayor al 90%. Sin embargo, para conseguir un prototipo competitivo y con posibilidades de comercializarse es necesario implementar una etapa correctora de factor de potencia, lo que en este caso aumentaría considerablemente el costo del balastro.

78

Conclusiones

5.2 Trabajos Futuros

En base a las conclusiones se proponen algunos trabajos futuros para Complementar este trabajo:

Estudio de otras topologias de convertidores CD-CD que estabilicen la

descarga en la lámpara, integrando una etapa correctora de factor de potencia

para eliminar una etapa extra en el balastro.

Estudio de topologias que integren la etapa estabilizadora a la etapa inversora,

reduciendo así el número de componentes y tamaño. Integrar un control de potencia.

79

Estudio e Implementación de un Inversor No Resonante como Balastro Electrónico para LEtmparas de Descarga

80

REFERENCIAS 1

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a3

NOMENCLATURA Y SIMBOLOGÍA

A

Ae

Ac

B

CA

CD

D

Hz

ILa,mp

IRC

J

kHZ

kV

Lg Im Im/w

m n PSPICE

PWM

Q Rc Rinv

T Vout

Vin

x c

Área en cmz

Área efectiva del núcleo

Área de ventana

Flujo Magnético

Comente alterna

Comente directa

Ciclo de Trabajo

Hertz

Comente a través de la lámpara

hdice de reproducción cromática

Densidad de comente

Kilohertz

Kilovoltios

Longitud del entrehierro

Lúmenes

Lúmenes por watts

Ganancia

Relación de vueltas

Programa de simulación de circuitos electricos

Modulador de ancho de pulso

Porcentaje de la potencia total que maneja el convertidor Resistencia equivalente del convertidor Resistencia equivalente del inversor

Periodo en segundos Voltaje de salida

Voltaje de entrada

Impedancia del capacitor del ignitor

Impedancia sene máxima de las inductancias del ignitor

Rizo de comente

Rizo de voltaje de salida del convertidor

Energía

Eficiencia del convertidor

Frecuencia de resonancia en rad/seg

Diámetro en centímetros

0 4 - 0 1 0 3

CENIDET lF&TRO DE INFORMACION

86