CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO. cenidet

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1 S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T. CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO cenidet ESTUDIO E IMPLEMENTACIÓN DE UN INVERSOR NO RESONANTE COMO BALASTRO ELECTRÓNICO PARA LÁMPARAS DE DESCARGA T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERIA ELECTRÓNICA P R E S E N T A : EFRÉN FLORES GARCÍA DIRECTORES DE TESIS : DR. MARIO PONCE SILVA DR. CARLOS AGUILAR CASTILLO CUERNAVACA, MORELOS FEBRERO 2004

2 TABLA DE CONTENIDO TABLA DE CONTENIDO... i INTRODUCCIÓN.. iii CAPÍTULO 1 Antecedentes 1.1 Lámparas de Descarga Principios generales de la descarga en gas Limitación de la corriente de descarga Inicio de la descarga Fase de ruptura Fase de calentamiento Tipos de descarga Descarga a baja presión Descarga a alta presión Tipos de lámparas de alta intensidad de descarga Lámpara de vapor de sodio de alta presión Lámpara de vapor de mercurio de alta presión Lámparas de halogenuros metálicos Estabilización de las lámparas de descarga Balastros Electrónicos Resonancias Acústicas y técnicas de eliminación de resonancias Operación selectiva Dispersión del espectro de potencia Operación con ondas cuadradas Estado del arte Conclusiones CAPÍTULO 2 Técnicas de estabilización en lámparas de descarga 2.1 Estabilización de la descarga Impedancia en serie Balastro en lazo cerrado Técnica propuesta de limitación de corriente Uso del concepto del resistor libre de pérdidas Limitación de la corriente mediante un convertidor CD-CD Análisis del resistor libre de pérdidas Modos de operación del convertidor y análisis de la resistencia equivalente Distribución de potencias en el balastro Conclusiones CAPÍTULO 3 Análisis y diseño del balastro 3.1 Diagrama a bloques del balastro propuesto i

3 3.2 Cálculo de los componentes del convertidor Análisis del esfuerzo máximo de tensión en el Mosfet del convertidor Análisis del convertidor en modo de conducción discontinuo Selección del inversor El ignitor Topologías propuestas Análisis Comparación de las topologías Diseño de los componentes Integración de etapas y circuito de comando Diseño del balastro Especificaciones de diseño Convertidor Diseño del inversor Diseño del ignitor Diseño magnético Transformador del convertidor Transformador del ignitor Resultados de simulación Simulaciones en el pre-encendido e ignición Simulaciones en régimen permanente Conclusiones CAPÍTULO 4 Implementación experimental del balastro 4.1 Implementación Circuito de comando Impulsor del convertidor Resultados experimentales Resultados en pre-encendido e ignición Resultados en régimen permanente Desarrollo de la secuencia de encendido Operación en estado estable Efecto de la impedancia del convertidor en la estabilización Comportamiento de la lámpara alimentada con formas de onda cuadrada en baja frecuencia Conclusiones CAPÍTULO 5 Conclusiones y trabajos futuros 5.1 Conclusiones Trabajos futuros.. 75 BIBLIOGRAFÍA ii

4 Introducción 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 energía y reducir los costos eléctricos. Por esto, el uso de lámparas de descarga presenta importantes ventajas en comparación con las lámparas incandescentes, las cuales disipan gran parte de la energía 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 lámparas es la presencia de resonancias iii

5 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 control 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 iv

6 cuadradas para su eliminación y presentando el estado del arte entorno al uso de esta técnica para la eliminación de resonancias acústicas. En el capítulo 2 se presentan las diferentes técnicas para estabilizar la corriente en una lámpara de descarga. Además, se propone una topología 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 balastro 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 capítulo 5 se presentan las conclusiones del trabajo y las recomendaciones para trabajos futuros. v

7 Capítulo 1 ANTECEDENTES En este capítulo se presentan algunos conceptos 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 enfrenta 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 Las 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

8 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga 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 inerte y vapor de metal en su interior. Al aplicar una diferencia de potencial a los 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 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 voltajecorriente 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

9 Antecedentes V O I Figura 1-1. Característica voltaje-corriente simplificada de una lámpara de descarga 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 1 : 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 Fase de ruptura Las lámparas de descarga contienen un gas inerte o mezcla de gases para ayudar a iniciar la descarga. Se emplean gases inertes debido a la influencia que tienen en las 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

10 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga 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 sí, 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 Tipos de Descarga Las lámparas de descarga se dividen en dos grandes grupos según el nivel de presión a la cual se lleva a cabo la descarga, esta clasificación se basa en la presión que se encuentra en el tubo de descarga 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

11 Antecedentes principio de fluorescencia para emitir luz visible debido a la localización del espectro electromagnético Descarga a alta presión La descarga en alta presión es otra 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 10 4 Pa, ésto con el fin de aumentar la eficiencia luminosa 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 categoría 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 características eléctricas y físicas las cuales se describen en los siguientes apartados 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 alúmina 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, así 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 vacío existente entre la cubierta exterior y el tubo de descarga se utiliza para prevenir el ataque químico en las partes metálicas del mismo, así como para mantener la temperatura del tubo aislada de las variaciones en la temperatura ambiente. 5

12 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga Material de sellado Sodio + Mercurio Alúmina policristalina Tapa de niobio o cerámica Níquel Acero Inoxidable Lámina de acero-níquel Tungsteno Titanio Niobio Gueter de Bario-Alumino 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 ºK y un índice de reproducción cromático de aproximadamente 50, el cual depende de la presión de funcionamiento. Por otra parte, la eficacia luminosa es también muy elevada ( lm/w). 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

13 Antecedentes 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 típica se muestran en la Figura 1-3, la lámpara consiste del tubo de descarga, que por lo general se fabrica de sílice 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. Alambres de conducción y soporte Resistencia de encendido Electrodo de encendido Electrodos de operación Tubo de descarga Recubriemiento interior de fósforo Bulbo exterior Figura 1-3. Lámpara de mercurio de alta presión Los electrodos son de tungsteno recubiertos de materiales emisores y rodeados en espirales de tungsteno y deben ser calentados para alcanzar la temperatura de emisión de electrones. 7

14 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 al cual se le agrega argón para iniciar el arco de descarga, ya que a temperatura ambiente el mercurio se presenta a presiones 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 Lámparas de halogenuros metálicos Este tipo de lámparas tiene una estructura muy similar a las lámparas de 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 lm/w. Estas lámparas no resultan aptas para el funcionamiento a potencias inferiores a la nominal. Esto es debido a que la temperatura 8

15 Antecedentes en el interior de la descarga es un parámetro crítico 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 interfase entre la lámpara y la red de alimentación. Las características que debe cumplir el balastro son las siguientes 2 : 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 línea 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

16 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga Con respecto a la red de distribución, el balastro debe asegurar, entre otras cosas, lo 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 3. 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 tendría con un balastro convencional 4. 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. 1.4 Resonancias Acústicas 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 10

17 Antecedentes 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 características 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 5. 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

18 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga Figura 1-5. Localización de las resonacias acústicas en diferentes tipos de lámparas de AID Las diferentes técnicas reportadas en la literatura para resolver el problema de resonancias acústicas se pueden clasificar en tres clases.6,7 : Operación selectiva. Dispersión del espectro en potencia. Operación con formas de onda cuadradas 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 desventajas, 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 12

19 Antecedentes no se podría desarrollar un balastro que funcionase para toda lámpara. Por último, el 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 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 el ancho de banda requerido. Las señales que se usan 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 8. Este tipo de señal tiene un espectro continuo, por lo cual el espectro de la modulación en ángulo es continuo 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

20 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga existir variaciones significativas en la potencia entregada a la lámpara no es posible excitar las resonancias acústicas 9,10. 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 11 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 (toff) 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 toff. 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

21 Antecedentes Figura 1-6. a) Diagrama a bloques del balastro, b) Voltaje y corriente en la lámpara 11. En la Figura 1-7 se muestra un balastro electrónico de bajo costo para lámparas de alta intensidad de descarga 12. 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 simetría 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 límite podría excitar las resonancias acústicas. Figura 1-7. Balastro de bajo costo conformado por etapa CFP e inversor

22 Estudio e Implementación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga En 2001 Alejandro López 13 presenta un inversor que alimenta a la lámpara con formas de onda cuadradas de corriente y que a su 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 balastro propuesto se muestra en Figura 1-8, en la que se muestran las 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. Figura 1-8. Balastro electrónico implementado 13. 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, S1 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 1-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 (Rshunt). 16

23 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 precalentamiento. EL circuito de control se diseña para proveer la estabilidad necesaria al balastro. El encendido se consigue mediante un circuito auxiliar, lo cual presenta una desventaja por requerir de componentes extras para cumplir dicha función. Figura 1-9. Balastro propuesto por M. Shen 14. Figura Modos de operación del inversor 14. En 2003 J. Ribas 15 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 las necesidades de la lámpara con el propósito de proveer la estabilidad necesaria para su correcta operación. 17

24 Estudio e Implementación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga Este balastro utiliza un control durante la fase de calentamiento de la lámpara, con lo 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 esfuerzos excesivos en el convertidor durante esta fase. El diagrama del prototipo se muestra en la Figura El encendido de la lámpara se consigue mediante la aplicación de pulsos en alta frecuencia a la red resonante compuesta por L R y C R, la cual eleva el voltaje lo suficiente para encender la lámpara. Figura Diagrama esquematico del prototipo Conclusiones En este capítulo se presentaron los principios generales de la descarga en gases y una breve descripción de las características de las lámparas de alta intensidad de descarga. Además, se describen las condiciones necesarias para su correcto encendido así como las diferentes técnicas para la eliminación 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

25 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 necesario que el balastro cumpla con ciertas características especiales las cuales se abordaran en el siguiente capitulo. 19

26 Estudio e Implementación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga Referencias 1 Ribas J. Control Optimizado de Balastros Electrónicos. Modelado Estático y Dinámico de Inversores Resonantes y Lámparas de Descarga, Tesis Doctoral, Universidad de Oviedo, Gijón, España, Septiembre de 2001, p Ponce, M., Sistemas de Alimentación para Lámparas de Descarga basados en amplificadores clase E, Tesis Doctoral, Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (cenidet), Cuernavaca, Morelos, México, marzo 1999, pp. 2-4, De Groot, J.J., and Van Vliet J.A.J.M. The High Pressure Sodium Lamp (London: Macmillan Education Ltd., 1986), p Fukumuri, N., et al, A Study of HID Lamp Life when Operated by Electronic Ballast Journal of the Illuminating Engineering Society, (Winter 1995): Koshimura, Y, et all, Stable High Frequency of High Intensity Discharge Lamps and Their Ballast Design (CIE 20 th Session 83), E36/ López, A. Balastro Electrónico para Lámparas de Alta Intensidad de Descarga Alimentado desde 12V y Libre de Resonancias Acústicas, Tesis de Maestría, Cuernavaca México, septiembre 2000, pp Yan, W. et al, Investigation on Methods of Eliminating Acoustic Resonance in Small Wattage High-Intensity- Discharge (HID) Lamps, IEEE Industry Applications Conference IAS Annual Meeting 2000, pp Laskai, L., White-Noise Modulation of High-Frequency High-Intensity Discharge Lamp Ballasts IEEE Trans. Industry Applic., (vol. 34, No. 3, May/June 1998): Mellis, J., An Output Unit for Low Square Wave Electronics Ballast, IEEE Applied Power Electronics Conference APEC 1994, pp Ramos, J, et al, Modelado y Diseño de Convertidores Resonantes, IEEE Sección Morelos, Curso tutorial, octubre Sam Ben-Yaakov, Shvarstsas, An Electronic Ballast for Fluorescent Lamps with No Series Passive Elements APEC 01, (2001). 12 E. López, M. Rico-Secades; A Novel Low Cost Two-Stage Electronic Ballast for 250W High Pressure Mercury Vapor Lamps Based on Current-Mode-Controlled Buck-Boost Inverter IEEE Applied Power Electronics Conference (APEC'01), Vol. 2, pp : Anaheim. EEUU. Marzo, M.Ponce, A.Lopez, J.Correa, J.Arau, J.M.Alonso, Electronic ballast for HID lamps with high frequency square waveform to avoid acoustic resonance, proc. of IEEE APEC 2001,pp Miaosen Shen, Zhaoming Qian, Fang Zheng Peng, Design of a two-stage low-frequency square-wave electronic ballast for HID lamps, IEEE Transactions on Industry Applications, 2003, pp: Ribas, J., Alonso, J.M., Calleja, A.J., Lopez, E., Cardesin, J., Garcia, J., Rico, M., Arc stabilization in lowfrequency square-wave electronic ballast for metal halide lamps, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC '03, pps:

27 Capítulo 2 TÉCNICAS DE ESTABILIZACIÓN 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 capítulo anterior. La resistencia que presenta la lámpara en estado estable no es constante, es función de su punto de operación. Al 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. 20

28 Técnicas de Estabilización Figura 2-1. Gráfica 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): s + 1 Z 1() s = K Z 1 (1) s + 1 P 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 16, 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 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 encender la lámpara. Sin embargo, para el caso en que se desee alimentar a la lámpara con formas de onda cuadradas de corriente, no es posible usar el tanque 21

29 Estudio y Aplicación de un 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 Z B (s) conectada en serie y que estabilizaría la descarga debe cumplir con ciertas condiciones 16. En la Figura 2-2 se muestra el circuito de estabilización de 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 Z L (s) representa la impedancia de la lámpara y Z B (s) es la impedancia que se agrega para estabilizar. i L () s V = Z s B () s 1 () s Z L () s 1+ Z () s B (2) De acuerdo con el criterio de Nyquist, La condición necesaria para que el circuito sea estable es que no exista un cero en el semiplano derecho en el término 1+Z L (s)/z B (s). De aquí se observa que una condición suficiente es que: Z Z L B ( s) ( s) < 1 (3) 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. 22

30 2.1.2 Balastro en lazo cerrado Técnicas de Estabilización 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 través de la lámpara no sobrepasará un valor determinado, debido a la acción de un controlador 16. Figura 2-3. Diagrama a bloques de un sistema con balastro 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 lámpara 16. Al 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. 23

31 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga Uso del concepto del resistor libre de pérdidas Como se mencionó anteriormente, la 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 ahí que resulta interesante el concepto del resistor libre de pérdidas presentado por J. Sebastián 17 y llevado a un balastro electrónico por J. M. Alonso (Figura 2-4a) 18. El resistor libre de pérdidas es solo una analogía para representar el comportamiento promedio de un convertidor CD-CD operando en discontinuo. Cómo se ha demostrado por Sebastián 5 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 energía 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 100%, entonces se dice que este se comporta como un resistor libre de perdidas ya que toda la energía que consumió fue transferida hacia la carga. Cabe resaltar que esta afirmación solo es valida para una eficiencia en la transferencia de energía del 100%. En este artículo 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 los 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. 24

32 Técnicas de Estabilización Limitación de la corriente mediante un 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 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 de voltaje, se requiere disminuir el valor del capacitor de salida (Co) 15. Al disminuir el valor de este capacitor es necesario agregar un capacitor de filtrado a la entrada, con lo cual se afecta la corrección de 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 2-5a). En la Figura 2-5b 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, la cual es aproximadamente igual a la impedancia de la lámpara en estado estable 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. 25

33 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga Figura 2-5. a) Cambios en la topología del conformador de corriente. b) 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 Iin estará dada por: ( Vin Vout) Iin = 1 ; Vin>Vout (4) Rc 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: 2 1 ( Vin Vout) 2 Pcin = Iin Rc = (5) Rc la potencia de salida del convertidor (Pco), será entonces la potencia entregada por la fuente de corriente Ic, de manera que: Pco = I Vout (6) C 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 (Vin) la cual se refleja en la ecuación (7) mediante la corriente de entrada Iin: Po = 2 ( Ic + Iin) Rinv (7) donde la corriente Ic es igual a: 26

34 Técnicas de Estabilización Vout Vin Vout Ic = (8) Rinv Rc sustituyendo la ecuación (8) en la (6) se llega a: 2 Vout Rc Vin Pco = + 1 (9) Rc Rinv Vout de manera que la eficiencia del convertidor es: 2 Rc Vin Vout + 1 Pco Rinv Vout η C = = (10) 2 Pcin Vin 2 2 ( Vin Vout) + Vout haciendo Vout m = se tiene que: Vin Rc η = Rinv m C (11) m m despejando Rc: = Rc Rinv η C m m m (12) 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 Pin = Vin Iin = ( Vin Vout) (13) Rc Pcin Q = 100% (14) Pin 27

35 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga sustituyendo (5) y (13) en (14) se obtiene que: 1 2 ( Vin Vout) Q = Rc 100% (15) Vin ( Vin Vout) Rc expresando en términos de la ganancia (m) tenemos que: 1 Q = 1 (16) m En la siguiente figura se muestran las gráficas de las ecuaciones (11) y (15), para lo cual se asume una eficiencia del 100% en el convertidor ( η = 1 ) y las impedancias Rinv y Rc se normalizan al valor de la primera, de modo que en la Figura 2-6a 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 2-6a 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 2-6b 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. C Figura 2-6. a) Resistencia del convertidor en función de m, b) Porcentaje de la potencia total manejada por el convertidor. 28

36 Técnicas de Estabilización Modos de operación del convertidor y análisis de la resistencia equivalente del inversor Una vez conociendo la ecuación que describe la potencia manejada por el convertidor en función de la ganancia, en la Figura 2-7 se muestran los modos de operación que se tienen en el convertidor. El hecho de descomponer el modelo promediado simplificado mostrado en la Figura 2-5b 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, que 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 2-7a 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 2-7b 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 2-7c se tiene el diagrama equivalente cuando el interruptor del convertidor está abierto y la potencia almacenada en Rc se transfiere a la fuente de corriente Ic, con lo cual se alimenta a la impedancia equivalente del inversor que durante este modo de operación es representada por Ry. Figura 2-7. Modos de operación del convertidor. 29

37 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga En la figura Figura 2-7a se observa que la resistencia equivalente del inversor Rinv se separó en dos partes de manera que: Rinv = R X // R Y (17) 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: 2 Vout Rinv = 1 = (18) Pin El siguiente paso es encontrar la ecuación que defina la resistencia Rx. Puesto que la potencia consumida por el resistor libre de pérdidas formado por el convertidor (Pc) está dada por: Pc = PinQ (19) la potencia disipada en la resistencia Rx en este modo de operación presentado en la Figura 2-7b es: P RX ( Q) = Pin 1 (20) de esta forma, el valor del resistor Rx es: R X = Vout Pin 2 ( 1 Q) (21) sustituyendo la ecuación (18) en (21) se tiene que: R X Rinv = = 1 ( 1 Q) ( 1 Q) (22) de igual forma, la potencia disipada en la resistencia Ry en el modo de operación presentado en la Figura 2-7c es la misma que en Rc suponiendo que ésta transfiere toda su energía a la carga: 30

38 Técnicas de Estabilización P RY = PinQ (23) de esta forma, el valor del resistor Ry es: Vo = (24) PinQ R Y 2 donde al sustituir la ecuación (18) en (24) se tiene que: R Y = Rinv 1 Q = Q (25) En la Figura 2-8a se muestra la gráfica de las ecuaciones (22) y (25) en conjunto con la ecuación (12) mostrada anteriormente en la Figura 2-6a, 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 del convertidor Rc sea mayor a Rx. En este análisis solo es importante el 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 2-8b 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 2-8. Graficas de la resistencia equivalente Rx y su relación con la ganancia del convertidor. 31

39 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga Distribución de potencias en el balastro En la Figura 2-9a se muestra la distribución de potencias en un sistema con dos etapas en cascada, donde la eficiencia total η T _ Cascada es igual a: η = η η T _ Cascada C I (26) donde inversora. η C es la eficiencia del convertidor CD-CD y η I es la eficiencia de la etapa En la Figura 2-9b 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 2-5b, el producto Q*P Total representa a la potencia manejada por el convertidor, que a su vez es la energía almacenada en Lp cuando Mc esta cerrado. Esta energía almacenada en Lp es transferida hacia el inversor cuando el interruptor Mc se abre, dicha transferencia de energía es representada por la fuente Ic, la cual representa la corriente promedio entregada por Ls al inversor, cabe aclarar que dicho inversor es alimentado por una fuente de corriente y no por una de voltaje. El resto de la energía (1-Q)*P Total representa la potencia transferida directamente al inversor cuando el interruptor Mc 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: T _ Balastro inv ( η + ( Q) ) η = η 1 (27) c Q donde Q es el porcentaje de la potencia total que maneja el convertidor. 32

40 Técnicas de Estabilización Figura 2-9. Distribución de potencias, a) sistema con dos etapas en cascada, b) topología propuesta. En la Figura 2-10 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 con dos etapas en cascada. Figura Gráfica teórica de la eficiencia total del sistema. 33

41 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para 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 capítulo 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 energía 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 topología se obtienen las características 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 características 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 los sistemas típicos donde las etapas se encuentran en cascada. El siguiente paso es el diseño del balastro con la topología propuesta, así como el estudio y análisis de circuitos de encendido los cuales se presentan en el capítulo siguiente. 34

42 Capítulo 3 ANÁLISIS Y DISEÑO DEL BALASTRO 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 diseño 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. 35

43 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga Figura 3-1. Diagrama a bloques del balastro propuesto. 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 través de Lp y Ls A continuación se presentan los análisis para ambos casos. Figura 3-2. Esquema general del convertidor 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. 36

44 Análisis y Diseño 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 (V Lp ) es igual a la tensión reflejada del devanado secundario al primario y ésta depende directamente de la relación de vueltas (n) : V Mc = Vin + V Vout (28) Lp donde: Vin = voltaje de entrada de CD Vout = voltaje de salida del convertidor V Lp = voltaje reflejado en el devanado primario V Ls = voltaje máximo en el devanado secundario V Mc = voltaje en el interruptor Mc durante el apagado La tensión en V Ls es igual a Vout cuando Mc se encuentra apagado, por tanto: V VLS Vout = (29) n n LP = sustituyendo (28) en (27) se tiene que: 1 V Mc = Vin + Vout 1 (30) n 37

45 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 Mc 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 n = V + Vout Vin (31) Mc Análisis del convertidor en modo de conducción discontinuo (MCD) Al 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. Figura 3-4. Modos de operación de convertidor en MCD. Figura 3-5. Balance de energias en el inductor Lp. 38

46 Análisis y Diseño 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 áreas formadas en los modos I y II deben ser iguales, se obtiene que: Vout Vin (32) n ( Vout) DTs DxTs = 0 Mediante una sencilla manipulación de la ecuación (31) se obtiene la función de transferencia del convertidor, que esta dada por: Vout Vin D = (33) Dx + D n 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. 39

47 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga Donde I Lp = rizo de corriente en Lp I Ls = 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 m como n son valores conocidos. m = Vout Vin nd = 1 Dis D + nd (35) la ecuación anterior permite proponer el grado de discontinuidad Dis y obtener así el valor de D, despejando D se tiene que: D = 1 Dis n + 1 n m (36) Asumiendo una eficiencia unitaria donde la potencia de entrada es la misma que la potencia de salida se tiene que: VinIin = VoutIo (37) donde: Iin = corriente de entrada al convertidor Io = corriente de salida sustituyendo la ecuación anterior en la ecuación (34) se obtiene una ecuación mediante la cual se puede calcular el valor de Iin a partir de valores ya conocidos mediante ecuaciones definidas anteriormente: Iin Io = nd 1 Disc D + nd (38) además, debido a que en este convertidor la corriente de entrada Iin es igual a la corriente a través de Lp, es posible expresar la corriente de entrada de la siguiente manera: D I Lp Iin = (39) 2 40

48 Análisis y Diseño del Balastro 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 valor del inductor Lp por medio de: I Lp y calcular el Lp V D T LPon = (40) I LP donde en el estado de apagado. V LPon = voltaje en la inductancia Lp cuando el MOSFET Mc se encuentra Ls se calcula usando la relación de vueltas, de modo que: 2 Ls = n Lp (41) La ecuación que define el valor del capacitor de salida resulta de analizar el circuito formado en el modo III de la Figura 3-4, donde la corriente a través del capacitor (Ic) es: Vout Vout Ic = Co = Co (42) dt DisTs donde Vout = rizo de tensión a la salida del convertidor en este modo de operación la corriente Ic es la misma que la corriente Io, donde Io es: Vout Io = (43) Rinv puesto que para Co se propone un valor pequeño, sustituyendo la ecuación (41) en (42) y despejando Vout se obtiene el valor del rizo de tensión a la salida para el valor de Co propuesto: VoutTsDis Vout = (44) RinvCo 3.3 Selección del inversor En la Figura 3-7 se muestra la posición del inversor en el balastro, donde Vout es la tensión de alimentación al inversor, o sea, la tensión de salida del convertidor y Vlamp la 41

49 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. Figura 3-7. El inversor. Tabla 1. Características principales de inversores alimentados en tensión. TOPOLOGÍA TENSIÓN EFICAZ A LA SALIDA DEL INVERSOR (VLAMP) DESVENTAJAS ESFUERZO DE VOLTAJE TRANSISTORES FLOTADOS Amplificador clase D Vout Señal de salida asimétrica Vout 1 Medio puente Vout/2 Dos capacitores de filtrado grandes Puente completo Vout Mayor número interruptores Push-Pull nvout Requiere de transformador Vout 1 Vout 2 2Vout 0 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. 42

50 Análisis y Diseño del Balastro 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 El 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 diseñará 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 sencillo 19 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/dt en un transformador, este tipo de ignitor es usado en los balastros que operan en baja frecuencia. En la Figura 3-8b 20 se muestra otro circuito sencillo de encendido, este utiliza un Mosfet que se encarga de cargar la bobina Lig1 y que al apagarse forma una red resonante mediante la cual se aplica un pulso de alta tensión con la ayuda de un transformador. 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 literatura

51 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga 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 Capítulo 1, se encontró una topología integrada 15 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 15. En el presente trabajo se proponen dos topologías cuyo objetivo es el de minimizar el valor de la 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. Figura Ignitores propuestos, a) Ignitor resonante paralelo (RP) b) Ignitor resonante serie (RSE). 44

52 Análisis y Diseño del Balastro Análisis El análisis de los ignitores se divide en tres partes, primero se presenta un análisis 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 energía 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 tamaño del núcleo Comparación de las topologías A continuación se presenta el análisis para determinar el volumen del núcleo asociado a cada una de las topologías de ignitores, en la Figura 3-11 se muestran los circuitos de cada una de las topologías de ignitores utilizadas para el análisis. Figura Topologías analizadas, a)ignitor simple 15, b) Ignitor RP, c)ignitor RSE. El máximo voltaje alcanzado en la bobina resonante (La) para todas las topologías depende de su impedancia equivalente (X L ) y de la corriente máxima a través de ella (I L ). De modo que: V La = I X = I Laω (45) La La La s donde ω s = frecuencia de resonancia o frecuencia de encendido La energía almacenada en esta inductancia es: 45

53 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga 2 La I ε = L (46) 2 En base a estas ecuaciones básicas se analizan las tres topologías con el objeto de encontrar las ventajas que presentan las topologías propuestas en lo que respecta al voltaje de encendido, la corriente necesaria en la inductancia resonante y la energía asociada a esta inductancia. a) Análisis del ignitor simple encontrado en la literatura 15 Al analizar la malla del circuito formado por el ignitor y la fuente Vs que representa a la salida del inversor mostrada en la Figura 3-11a, tenemos que: Venc = Vs + (47) V La donde V La es el voltaje en la inductancia resonante durante la fase de encendido, entonces se tiene que V La >> Vs y por tanto Venc a V = I Laω (48) La La s Por esto se considera al voltaje en la inductancia como el voltaje de encendido Venc y debido a que la corriente a través de ella es la que genera dicho voltaje la llamaremos la corriente de encendido Ienc, de modo que de la ecuación (48) se tiene que: Ienc a Venc = (49) ω La así mismo, despejando La de la ecuación anterior y sustituyendo en (45), la energía manejada por La es ε a Venc Ienc = (50) 2ω s b) Topología propuesta: Ignitor resonante paralelo que: Analizando el circuito mostrado en la Figura 3-11b y asumiendo que V La >> Vs se tiene 46

54 Análisis y Diseño del Balastro Venc b nv = nienclaω (51) La s sustituyendo en la ecuación (45) y despejando se tiene que: Ienc b Venc = (52) nω La s despejando La de la ecuación (52) y sustituyendo en (46): ε b Venc * Ienc = (53) 2nω s c) Topología propuesta: Ignitor resonante serie Al analizar el circuito de la Figura 3-11c y asumiendo de igual forma que tiene que: VLa >> Vs se Venc c ( n + 1) V = ( n + 1) IencLaω (54) La s despejando Ienc se tiene que: Ienc c Venc = (55) ( n +1)ω La s despejando La de la ecuación (55) y sustituyendo en (46): ε c Venc * Ienc = (56) ( n + 1)2ω s 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 sobredimensionar 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 esta disminución en el volumen del núcleo debido a que para 47

55 Estudio y Aplicación 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 su espacio que este ocupa. Tabla 2. Resumen de características de los ignitores. IGNITOR Venc Venc a Ienc Ienc a ε ε a a) b) n 1 n 1 n c) 1 + n 1 1 n + 1 n + 1 Por las características antes mencionadas, de los dos circuitos propuestos es el ignitor resonante serie el que presenta las mejores características y por lo que se le seleccionó para realizar su diseño y pruebas 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 través de él sea despreciable en relación a la corriente en 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 y esta dado por: Cx = 1 ωxc (57) 48

56 donde Análisis y Diseño del Balastro ω = 2πf, f es la frecuencia de operación del inversor y Xc 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 ω s = (58) L a Cx entonces: L 1 = (59) ω Cx a 2 s por último, la inductancia Lb se obtiene a partir de la impedancia serie máxima que esta dada por: X = X + X L max La Lb (60) entonces: X L max L b < (61) ω el valor de X L max se propondrá en la fase de diseño de manera que sea 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. 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 49

57 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga 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 PIC16F876 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 Circuito completo del balastro. 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. Figura Esquema general del circuito de comando. Las fases de operación son las siguientes: 1. Pre-ignición 2. Ignición 3. Calentamiento 50

58 Análisis y Diseño del Balastro Figura Señales de comando para los interruptores del balastro. Durante la fase de pre-ignición, el convertidor debe empezar a operar para elevar su voltaje de salida (Vout) 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 número 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 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 90V, además, se decide 51

59 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga 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 línea de 220V, que es la tensión con que típicamente se alimenta a balastros para lámparas de este tipo 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 = 90V (tensión de salida del convertidor) I LAMP = 778 ma (corriente nominal de la lámpara) R LAMP = 116 Ω (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) Vo max = 310V (tensión máxima posible a la salida del convertidor) X Lmax = 4 Ω (impedancia máxima de la inductancia serie del ignitor en estado estable) V Mc = 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 R LAMP cumpliendo con el objetivo propuesto. 52

60 Análisis y Diseño del Balastro Figura Impedancia del convertidor y la resistencia equivalente Rx en función de m 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 elevar la tensión de salida y con esto poder encender a la lámpara. Además, es 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 di dt presentado en Lp. Entonces, para Vo max = 310 y V Mc = 400 por medio de la ecuación (31) se obtiene n = V Vo + Vo max Mc max V CD = Cálculo de D y de las inductancias Lp y Ls 53

61 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 D = 1 Dis n + 1 n m = la corriente promedio de entrada se calcula con la ec. (37), de modo que Iin niod = = 0. A 1 Disc D + nd 225 y de la ecuación (38) se obtiene el valor del rizo de corriente en Lp 2Iin I Lp = = 3. 26A D el voltaje en Lp se determina por la diferencia de voltajes entre la entrada y la salida, de modo que el valor de Lp se obtiene con la ecuación (39): V Lp = LPon D T I LP = 233µ H Ls se calcula mediante la ecuación (40) 2 Ls = n Lp = 139µ H el valor para Vout para Cx = 1µ F es: VoutTsDis Vout = = 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) R DS(on) < 0.85 Ω (Resistencia estática de encendido de drenaje-fuente) 54

62 I D = 8 A (Corriente continua de drenaje) Análisis y Diseño del Balastro El diodo utilizado es el MUR860, cuyas principales características son: V RRM = 600V (voltaje de rompimiento cátodo-ánodo) I F = 8A (corriente continua directa) t rr < 70ns (tiempo de recuperación inversa) 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 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 = 40 kω ( Xc >> RLAMP ). De modo que con la ecuación (56) se tiene que Cx 1 = = 9.97nF nf 2 fxc 10 π con Cx se calcula el valor de La con la ecuación (58) L 1 = (2πf ) = 149. a enc Cx 8 2 uh la inductancia Lb se obtiene a partir de la ecuación (60), proponiendo X = 4Ω : L max X L max Lb < = 1. 59mH ω 55

63 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 esta manera la inductancia total utilizada en el ignitor será de Lb = 400µ H. De 649 µ H (La+Lb), en la Tabla 3 se muestra una comparación entre los valores utilizados en una topología encontrada en la literatura basada en el ignitor simple 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. Tabla 3. Comparación entre dos topologías de ignitores. Ignitor Frecuencia de Valor del Inductancia encendido Capacitor Total Ignitor Simple 185 khz 750nF 1mH Ignitor RSE Propuesto 130 khz 10nF 649µH 3.7 Diseño magnético A continuación, en las Tablas 4 y 5 se presenta un procedimiento ya establecido para el diseño del transformador Transformador del convertidor Las especificaciones son: 1. Densidad de corriente J = 200 c.m./a 2. Corriente pico en el devanado primario (Lp) I = A Lp 3. Corriente pico en el devanado secundario (Ls) I = A Ls 4. Densidad de flujo máximo en el núcleo B max = 1000 T 5. Relación de vueltas n = Inductancia del devanado primario Lp = 233µ H 56

64 Análisis y Diseño del Balastro 7. Inductancia del devanado secundario Ls = 139µ H Tabla 4. Metodología o secuencia de diseño del transformador del convertidor. PASO FORMULA GENERAL VALORES VALOR CALCULADO Área nominal Selección del A A = J Ls I Ls = J Lp I Lp J = 200 c.m./a I = 3.26 A Lp Ls φ Lp I = 4.25 A = " A = 850 c.m. Ls A = 652 c.m. Lp φ Lp φ Ls = " = " AWG # 20 calibre del conductor φ Ls = " AWG # 22 Producto de áreas Selección del núcleo Longitud del entrehierro Número de vueltas en Lp A p = lg = ( 19L I φ ) s B Ls max Ls ( 0.4π L I ) Ns = s Ls 2 e max A B B max lg 0.4π I Ls B max = 1000 T Ap = cm 4 K = cm 5 g A = cm 4 p A = cm 2 c A e = 1.11 cm 2 MLT = 6.2 cm Ls = 139µH I Ls = 4.25 A B max = 1000 T A = 1.11 cm 2 e lg = 0.3 B max = 1000 T Núcleo seleccionado RM12 3C85 lg = 0.3cm Ns = 54 Número de vueltas en Ls Np = nns Ns = 54 n = Np = 42 57

65 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga Transformador del ignitor Las especificaciones del transformador son: 1. Densidad de corriente en La Ja = 150 c.m./a 2. Corriente pico en La Ipp = 10 A 3. Densidad de corriente en Lb Jb = 600 c.m./a 4. Corriente pico en Lb Ipp = 0. 8 A 5. Densidad de flujo máximo en el núcleo B max = 2000 T 6. Relación de vueltas n = Inductancia de La La = 149µ H 8. Inductancia de Lb Lb = 400µ H Tabla 5. Metodología o secuencia de diseño del transformador del ignitor.. b a PASO FORMULA GENERAL VALORES VALOR CALCULADO Área nominal Aa = J Ipp a A = J Lp Ipp b J = 200 c.m./a Ipp = 10 A a Ipp = 0.8 A b A = 1500 c.m. a A = 480 c.m. b φ a = " φ = " b Selección del calibre del conductor φ a = " φ = " b AWG # 18 AWG # 23 Producto de áreas A p = ( La Ipp φ ) B max a a B max = 2000 T Ap = cm 4 Selección del núcleo K = 0.99 cm 5 g A = 1.82 cm 4 p A = cm 2 c A e = 1.87 cm 2 MLT = 7.2 cm Núcleo seleccionado ETD34 3C85 58

66 Análisis y Diseño del Balastro Continuación de la Tabla 5 Longitud del entrehierro lg = ( 0.4π La Ipp ) A B e a 2 max Lb = 149µH Ippa = 10 A B max = 2000 T A = 1.87 cm 2 e lg = 0.25cm Número de vueltas en La Bmax lg Na = 0.4π I Ls lg = 0.25 B max = 2000 T Na = 54 Número de vueltas en Lb Nb = nna Ns = 54 n = Nb = Resultados de Simulación En esta sección se presentarán los resultados obtenidos de las simulaciones realizadas en el balastro, las cuales se realizaron en Orcad PSpice ver En la Figura 3-16 se presenta el diagrama del balastro simulado, mostrándose las diferentes etapas que lo conforman. M7 IRF Vdc V8 Lp 234uH Ls 139uH 12 R1 V2 Co PARAMETERS: f3 = 40k Dc = R2 M2 12 IRF840 K K1 K_Linear COUPLING = 1 L1 = L1 L2 = L2 M4 R7 12 IRF840 Ckto_com K K2 K_Linear Dc COUPLING = L1 = Lp L2 = Ls MUR460 V2 = 15 V1 = 0 PW = {Dc/(f3)} TF = 50n TR = 50n TD = 0 PER = {1/f3} 1u PARAMETERS: tm = 600n D = {.5/f} f = 130k f2 = 400 tm2 = 1u D2 = {.5/f2} CtrA SA CtrB SB Ckto_com R3 M3 12 IRF840 Lb 400uH La 148uH 1 2 U13 Cx 10nF RLamp 10meg R M5 R8 12 IRF840 CtrB SB CtrA SA 0 TCLOSE = Figura Diagrama del balastro simulado en PSpice. 59

67 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga Simulaciones en el pre-encendido e ignición En la Figura 3-17 se muestra el esfuerzo de tensión en Mc durante la fase anterior al encendido, se puede comprobar que el voltaje en este no sobrepasa los 400 V, lo que concuerda con los cálculos realizados. Figura Esfuerzo de tensión en Mc durante el pre-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 50 µ s 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. Figura Voltaje en la lámpara y pulsos de control en el inversor.. 60

68 Análisis y Diseño del Balastro 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 Esfuerzo de tensión y potencia promedio en Mc en regimen permanente. En la Figura 3-20 se presenta el voltaje y la corriente en la lámpara, donde ambos tienen forma cuadrada de acuerdo al diseño. Figura Voltaje y corriente en la lámpara. 61

69 Estudio y Aplicación 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 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%. Figura Potencia instantanea en la lámpara y potencias promedio de entrada y salida. 62

70 Análisis 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 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: esfuerzo 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. 63

71 Capítulo 4 IMPLEMENTACIÓN 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 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 64

72 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga etapa de potencia del microcontrolador mediante el uso de optoacopladores, separando así los planos de tierra y protegiendo al circuito de comando. 5_V 10k D2 LED D3 LED 0 10k D1N4148 D1 Rr R3 R4 100 SW R5 1 1 INV1 5_V R2 10k Cpic2 15p X1 0 SW1 R1 1k U8 16F876 Mclr/Vpp RB7/PGD RA0/AN0 RB6/PGC RA1/AN1 RB5 RA2/AN2 RB4 RA3/AN3 RB3/PGM RA4/TOCKI RB2 RA5/AN4 RB1 Vss PIC RB0/INT Osc1/CLKIN VDD Osc2/CLKOUT Vss2 RC0 RC7/RX RC1/CCP2 RC6/TX RC2/CCP1 RC3/SCK RC5/SDO RC4/SDI _V R6 330 R7 1 1 INV2 1 Apagado p Cpic3 PWM 16F R8 1 PWM 1 Figura 4-1. Circuito de comando con el microcontrolador PIC16F Impulsor del convertidor Para el disparo de Mc fue necesario implementar un impulsor flotado basado en un circuito encontrado en la literatura 21, 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. Figura 4-2. Circuito impulsor para Mc. 65

73 Implementación Experimental del Balastro 4.2 Resultados experimentales Resultados en pre-encendido e ignición En la Figura 4-3 se muestra el esfuerzo de voltaje en Mc durante la fase de preencendido, donde se puede observar que la magnitud del voltaje sobrepasa ligeramente el valor estimado. Figura 4-3. Esfuerzo de tensión en Mc durante el pre-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. Al observar que el voltaje de encendido se alcanza rápidamente se optó por aplicar solo 4 pulsos en alta frecuencia mediante el microcontrolador. 66

74 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga Figura 4-4. Voltaje y corriente en la lámpara en el encendido Resultados en régimen permanente 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 67

75 Implementación Experimental del Balastro largo de un minuto y medio que es el tiempo aproximado en que una lámpara del tipo utilizado alcanza el 80% de sus características nominales. El ciclo de trabajo mínimo 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 trabajo durante el calentamiento. Figura 4-6. Evolución del voltaje y la corriente en la lámpara durante el calentamiento 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 así como una potencia casi continua. Al obtener estas formas de onda experimentalmente se puede observar que la 68

76 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga 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. 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. 69

77 Implementación Experimental del Balastro 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%. Figura 4-9. Corrientes instantaneas 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 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 capítulo 2 representa una impedancia equivalente del convertidor de 95Ω. 70

78 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga 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 del convertidor con el fin de disminuir la corriente a través de la lámpara 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). Corriente vs Voltaje de lámpara b). Corriente vs Potencia de lámpara Figura Resultados experimentales en lámpara CDMR-70W Philips. 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. 71

79 Estudio e Implementación 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. Al comparar los resultados obtenidos en la lámpara CDMR-70W Phillips utilizando formas de onda cuadradas con resultados reportados en la literatura 24 para el mismo tipo de lámpara pero utilizando formas de onda sinusoidales se obtienen resultados muy similares. En la Figura 4-11 se muestran estos resultados, 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, sin embargo, esta puede ser debida a una diferencia en el procedimiento para obtener dichas características. Figura Resultados obtenidos con formas de onda sinusoidales encontrados en la literatura 24. 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 Gráfica de Corriente vs. Impedancia. 72

80 Estudio y Aplicación 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. 73

81 Capítulo 4 IMPLEMENTACIÓN 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 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 64

82 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga etapa de potencia del microcontrolador mediante el uso de optoacopladores, separando así los planos de tierra y protegiendo al circuito de comando. 5_V 10k D2 LED D3 LED 0 10k D1N4148 D1 Rr R3 R4 100 SW R5 1 1 INV1 5_V R2 10k Cpic2 15p X1 0 SW1 R1 1k U8 16F876 Mclr/Vpp RB7/PGD RA0/AN0 RB6/PGC RA1/AN1 RB5 RA2/AN2 RB4 RA3/AN3 RB3/PGM RA4/TOCKI RB2 RA5/AN4 RB1 Vss PIC RB0/INT Osc1/CLKIN VDD Osc2/CLKOUT Vss2 RC0 RC7/RX RC1/CCP2 RC6/TX RC2/CCP1 RC3/SCK RC5/SDO RC4/SDI _V R6 330 R7 1 1 INV2 1 Apagado p Cpic3 PWM 16F R8 1 PWM 1 Figura 4-1. Circuito de comando con el microcontrolador PIC16F Impulsor del convertidor Para el disparo de Mc fue necesario implementar un impulsor flotado basado en un circuito encontrado en la literatura 21, 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. Figura 4-2. Circuito impulsor para Mc. 65

83 Implementación Experimental del Balastro 4.2 Resultados experimentales Resultados en pre-encendido e ignición En la Figura 4-3 se muestra el esfuerzo de voltaje en Mc durante la fase de preencendido, donde se puede observar que la magnitud del voltaje sobrepasa ligeramente el valor estimado. Figura 4-3. Esfuerzo de tensión en Mc durante el pre-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. Al observar que el voltaje de encendido se alcanza rápidamente se optó por aplicar solo 4 pulsos en alta frecuencia mediante el microcontrolador. 66

84 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga Figura 4-4. Voltaje y corriente en la lámpara en el encendido Resultados en régimen permanente 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 67

85 Implementación Experimental del Balastro largo de un minuto y medio que es el tiempo aproximado en que una lámpara del tipo utilizado alcanza el 80% de sus características nominales. El ciclo de trabajo mínimo 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 trabajo durante el calentamiento. Figura 4-6. Evolución del voltaje y la corriente en la lámpara durante el calentamiento 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 así como una potencia casi continua. Al obtener estas formas de onda experimentalmente se puede observar que la 68

86 Estudio y Aplicación de un Inversor no Resonante como Balastro Electrónico para Lámparas de Descarga 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. 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. 69