RESUMEN. Palabras clave: Balastros, Lámparas AID.

Balastros para lámparas de alta intensidad de descarga Edgar Baeza Trejo Departamento de Ingeniería Electrónica Instituto Tecnológico de Celaya jbaezatrejo@gmail.com Nimrod Vázquez Nava Departamento de Ingeniería Electrónica Instituto Tecnológico de Celaya n.vazquez@ieee.org Elías Rodríguez Segura Departamento de Ingeniería Electrónica Instituto Tecnológico de Celaya Claudia V. Hernández Gutiérrez Departamento de Ingeniería Electrónica Instituto Tecnológico de Celaya Fernando Medina Ríos Departamento de Ingeniería Electrónica Instituto Tecnológico de Celaya RESUMEN El desarrollo de los sistemas de iluminación está determinado por las políticas relacionadas al ahorro de energía, por lo que en los últimos años se ha dedicado especial atención a su desarrollo. Los basados en lámparas de alta intensidad de descarga (AID) representan una de las áreas en desarrollo. Este documento presenta un estudio comparativo de diversas topologías de balastros de tres, dos y una etapa para lámparas (AID), con el propósito de dar a conocer las partes que componen a cada topología y su operación. Palabras clave: Balastros, Lámparas AID. ~72~

1. INTRODUCCIÓN Por muchos años las lámparas de AID han sido utilizadas solamente en aplicaciones industriales y para la iluminación de exteriores; actualmente éstas aparecen como fuentes de luz muy atractivas, principalmente debido a su alta relación de potencia eléctrica por unidad de longitud de descarga (eficacia), lo que permite obtener fuentes de luz con un alto flujo luminoso y un tamaño reducido [1]. Con el desarrollo de nuevos materiales para la transmisión de luz en los tubos de descarga, los cuales son resistentes a los elementos altamente reactivos que existen en el proceso de la descarga, se han abierto nuevas opciones para la aplicación de este tipo de lámparas; por ejemplo, en la iluminación en centros comerciales, en aplicaciones automotrices e, incluso, en aplicaciones domésticas [1]. A diferencia de las lámparas fluorescentes, las de AID requieren de pulsos de voltaje de mayor amplitud para iniciar la descarga (aproximadamente 1.5 a 5 KV) [2], pero en ambos tipos de lámparas se requiere de un balastro para limitar la corriente después de que la lámpara enciende y así poder estabilizar la descarga [3]. Por otra parte, las lámparas AID tienen la desventaja de ser susceptibles al fenómeno de resonancias acústicas [4]. Éste se presenta cuando existen modulaciones en la potencia de la lámpara con una determinada frecuencia, a la cual se le conoce como frecuencia característica. Las modulaciones provocan la aparición de ondas de presión estacionarias dentro del gas de relleno, esto da lugar a movimientos del arco, los que pueden ser violentos dependiendo de la magnitud de las ondas estacionarias, comúnmente esto produce fuertes fluctuaciones en la luz generada por la lámpara y en un caso menos común puede causar que se apague o se destruya [5]. En la Figura 1 se observa la distribución de las bandas de frecuencias características para tres tipos de lámparas AID. La distribución de estas bandas es diferente para cada tipo de lámpara y, como se puede observar, las de vapor de sodio son menos propensas a presentar este problema, mientras que las de halogenuros metálicos tienen una mayor posibilidad de presentarlo [1]. De acuerdo a [6] las técnicas que han sido propuestas para resolver el problema de resonancias acústicas se pueden clasificar, ~73~

básicamente, en tres; operación selectiva, dispersión del espectro en potencia en la lámpara y operación con formas de onda cuadradas. Figura 1. Localización y tipos de resonancias acústicas en diferentes tipos de lámparas AID. En [7-14], la operación con ondas cuadradas de corriente y voltaje a baja frecuencia es una forma efectiva de eliminar las resonancias acústicas. Este artículo presenta la operación de balastros para lámparas de AID que operan con este principio, haciéndose también una comparación en su operación, manejo de la energía, manejo de la lámpara y eliminación de resonancias acústicas entre estas topologías. 2. OPERACIÓN DE BALASTROS PARA LÁMPARAS DE AID Para que las lámparas de AID funcionen, es necesario un balastro como dispositivo para limitar la corriente a través de la lámpara, proporcionar una señal alterna simétrica y evitar los problemas de resonancias acústicas en lámparas de AID [1]. ~74~

Los balastros electromagnéticos (diseñados para operar a frecuencia de línea) han sido utilizados para limitar la corriente en las lámparas AID; son económicos, simples y confiables; pero tienen diversas desventajas, incluyendo un tamaño y peso considerables, bajo factor de potencia, baja eficiencia, regulación de potencia muy pobre; además, son muy sensibles a variaciones en el voltaje de línea y necesitan un impulsor de alto voltaje por separado para encender la lámpara. Por otra parte presentan el fenómeno de reencendido cada vez que la corriente de lámpara cruza por cero en cada semiciclo de línea, esto se debe a la baja frecuencia de operación y causa que la vida útil de la lámpara disminuya debido a un desgaste excesivo de los electrodos. La forma de onda del voltaje de lámpara es una señal cuadrada y presenta picos en cada semiciclo de línea debido al reencendido de la lámpara. A diferencia del voltaje de lámpara, la corriente es una señal senoidal. Los balastros electrónicos son más pequeños y ligeros que los balastros electromagnéticos convencionales. Además, al emplearse en conjunto con lámparas de AID de baja potencia son más eficientes, ya que su consumo de potencia es menor que el de los balastros electromagnéticos. Los balastros de estado sólido también permiten la operación en alta frecuencia o por pulsos de corriente en la lámpara. Con la operación a alta frecuencia se pueden eliminar los problemas de reencendido. Si se diseñan adecuadamente los balastros de estado sólido, 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 de la misma. Al regular la potencia de la lámpara, el balastro electrónico puede controlar su encendido y se puede acelerar el tiempo de arranque con un diseño apropiado del mismo [7]. En la Figura 2 se muestra un balastro electrónico resonante. Para limitar la descarga en la lámpara se emplea una red resonante, la cual opera en alta frecuencia (> 25kHz) para evitar los reencendidos de la lámpara. Las formas de onda de voltaje VL( t ) y corriente IL( t ) típicas en la lámpara se muestran en la Figura 3. De acuerdo con ésta, los balastros electrónicos resonantes típicos presentan las siguientes etapas [7]: un filtro EMI/RFI del tipo pasa bajas. La función de este filtro es eliminar el ruido de alta frecuencia que el inversor y la lámpara ~75~

inyectan en la línea de alimentación, puente rectificador, el cual sirve para obtener un bus de cd, inversor de potencia que opera en alta frecuencia. La función de este inversor es convertir la señal de cd proveniente del puente rectificador en una señal alterna., tanque resonante conectado a la salida del inversor. La función principal de este inversor es filtrar y acondicionar la señal proveniente del inversor, para que a la lámpara se le aplique una señal sinusoidal, circuito de control que se encarga de generar las señales de control para los interruptores del inversor de alta frecuencia. Figura 2. Diagrama de bloques de un balastro electrónico resonante. Figura 3. Formas de ondas de voltaje y corriente de un balastro electrónico resonante. En la Figura 4 se muestra un balastro electrónico no resonante típico, el cual no utiliza una red resonante para limitar la corriente en la lámpara. En cambio para realizar esta función se ~76~

emplea un convertidor cd-cd con una etapa de control en lazo cerrado retroalimentando la corriente en la lámpara. El diagrama de bloques de un balastro no resonante típico se muestra en la Figura 4. Las formas de onda típicas del voltaje de la lámpara VL( t ) y la corriente en la lámpara IL( t ) se presentan en la Figura 5. De acuerdo con la Figura 4, los balastros electrónicos resonantes típicos presentan las siguientes etapas [7]: fuente de cd, la cual sirve para obtener un bus de cd, convertidor cd-cd que sirve para estabilizar la corriente en la lámpara, inversor de potencia, el cual alimenta a la lámpara con formas de onda cuadrada en corriente y voltaje, circuito de encendido en serie con la lámpara, etapa de control en lazo cerrado para el convertidor cd-cd, en la cual se retroalimenta la corriente en la lámpara, etapa de control en lazo cerrado que se encarga de generar las señales de control para los interruptores del inversor. Figura 4. Diagrama de bloques de un balastro no resonante. Figura 5. Formas de onda de voltaje y corriente de un balastro no resonante. ~77~

3. TOPOLOGÍAS DE BALASTROS PARA LÁMPARAS DE AID Con la finalidad de proporcionar una idea más clara acerca de cómo se implementan los balastros, así como sus características más importantes, en esta sección se muestran los topologías que se encuentran en el estado del arte [7-12], empezando por las de tres etapas, después de dos etapas, y por último de etapas integradas y una sola etapa. La Figura 6 muestra la topología propuesta en [7], consiste de un convertidor cd-cd flyback como corrector de factor de potencia (CFP) que permite tener un bus de cd bajo en la siguiente etapa con un rango de tensión universal en la entrada, además cuenta con aislamiento galvánico, simple y de bajo costo, el circuito integrado L6561 es utilizado para controlar el convertidor tipo flyback, trabaja en modo de transición (TM) [13]. Para controlar la corriente en la lámpara utiliza un convertidor cd-cd reductor que opera en modo de conducción continuo (MCC), esto permite reducir esfuerzos en corriente en el interruptor del convertidor cd-cd reductor, como tercera etapa se cuenta con un puente inversor completo que opera en baja frecuencia proporcionando formas de onda cuadradas y simétricas a la lámpara. La Figura 7 muestra la topología propuesta en [8], consiste de un convertidor cd-cd elevador como CFP, un convertidor reductor, un inversor de puente completo y un arrancador externo el cual genera un pico de voltaje de cd de alta frecuencia, para el proceso de ignición de la lámpara, el convertidor reductor se encarga de limitar la corriente a través de la lámpara de AID. Figura 6. Balastro electrónico propuesto en [7]. ~78~

La etapa de potencia del convertidor de cd a ca adoptada es un inversor de puente completo de frecuencia fija y de fase controlada. Esta consiste en un voltaje de cd (Vcd), dos ramas conmutadoras, los interruptores encienden y se apagan de manera alternativa a una frecuencia de conmutación de 22.5 KHz, ligeramente menor al 50% del ciclo de trabajo para generar una onda cuasi-cuadrada (Vab). Los componentes reactivos (Lr y Cr) constituyen el tanque convertidor reductor usado para limitar la corriente de la lámpara, el dispositivo de potencia puede ser encendido en cero volts durante el periodo de conducción del diodo antiparalelo. El cambio de fase de la señal PWM entre S1 y S2 es controlada para regular la potencia de salida del inversor. Figura 7. Balastro electrónico propuesto en [8]. En la Figura 8 se muestra el balastro electrónico propuesto en [9]. Este balastro consiste en un convertidor reductor que comparte elementos con un inversor puente completo. El convertidor reductor opera MCC. La función de este convertidor es estabilizar la corriente en la lámpara. El inversor es un puente completo, el cual invierte periódicamente la corriente y voltaje entregados a la lámpara. El balastro emplea un circuito de encendido externo basado en un transformador. El bus de cd puede ser proporcionado por un convertidor cd-cd que corrige el factor de potencia (FP) o por un circuito rectificador más un capacitor de filtrado. La ventaja de este balastro radica en que las formas de onda de voltaje y corriente que entrega a la lámpara son cuadradas, simétricas y de baja frecuencia. Con esto se logra eliminar el fenómeno de las resonancias acústicas. ~79~

Comparte elementos entre el inversor puente completo y el convertidor reductor. En la Figura 9 se muestra el balastro resonante propuesto en [10]. Este balastro utiliza un convertidor reductor-elevador. El objetivo principal de este convertidor es controlar la potencia consumida para limitar la descarga en lámpara. El convertidor cd-cd opera en MCD. Figura 8. Balastro electrónico propuesto en [9]. Las formas de onda del voltaje y la corriente en la lámpara son cuadradas, simétricas y de baja frecuencia debido a que el inversor es un puente completo [14]. Para encender la lámpara el circuito de encendido utiliza una red resonante LrCr serie, la cual opera en una frecuencia cercana a la de resonancia [3]. A esa frecuencia la impedancia total de esta red es muy pequeña, con lo cual se logra generar una corriente elevada a través de esta red, lo cual genera un alto voltaje entre las terminales del capacitor Cr. Este voltaje se aplica directamente a las terminales de la lámpara para encenderla. Después de encender la lámpara se elimina la red. Para logra esto se pone al capacitor Cr en circuito abierto y al inductor Lr en corto circuito, esto se consigue disminuyendo la frecuencia de operación del inversor [15]. En la Figura 10 se muestra un balastro propuesto en [11], esta topología está basada en la técnica de carga de bomba la cual ofrece un buen CFP [16] operando en MCD y que comparte dos interruptores de una rama del puente inversor completo. ~80~

Figura 9. Balastro electrónico propuesto en [10]. El inversor opera una rama de interruptores en alta frecuencia, mientras la otra rama lo hace en baja frecuencia, esto con la finalidad de operar una lámpara con formas de onda de corriente y voltaje cuadradas y simetricas, un convertidor cd-cd reductor es integrado al inversor para regular la corriente en la lámpara y hace uso de un arrancador externo por transformador para el encendido de la misma. Figura 10. Balastro electrónico propuesto en [11]. En la Figura 11 se muestra un balastro propuesto en [12], éste presenta una topología integrada en una sola etapa, está compuesto por un medio puente rectificador integrado a un convertidor cd-cd elevador que opera en MCD y comparte los interruptores del medio puente inversor, el inversor es un medio puente que tiene integrado ~81~

un convertidor cd-cd reductor, invierte periódicamente la corriente y voltaje entregados a la lámpara, los interruptores S1 y S2 trabajan en alta y baja frecuencia, esto es que en un medio ciclo de baja frecuencia uno de los dos interruptores opera en alta frecuencia mientras el otro se mantiene apagado, esta topología emplea un circuito de encendido externo basado en un transformador. En la Tabla 1 se resumen las características de los balastros electrónicos de tres, dos, etapas y una etapa. En esta Tabla se observa que los balastros de tres presentan mayor cantidad de componentes que los de dos y una etapa, además el manejo de la energía se realiza tres veces lo cual hace que tienda a reducir su eficiencia, esto tipo de balastro puede ser resonante o no, el encendido de la lámpara se puede realizar por arrancador externo o dentro de la misma topología. Se observa que el balastro de dos etapas tiende a reducir la cantidad de componentes y aumentar la complejidad en su operación, tratando de integrar etapas de corrección de factor de potencia con regulación de la energía en la lámpara. Figura 11. Balastro electrónico propuesto en [12]. Por último el balastro de una etapa tiene ventaja de tener menor número de componentes también al procesar la energía una sola vez su eficiencia es relativamente mayor a los balastros de dos y tres etapas y al igual que él balastro de dos etapas tiende a ~82~

aumentar la complejidad de operación al integrar tanto el CFP, el regulador y el inversor. Tabla 1. Características y comparación de topologías para balastros. Característica s Topología Propuesta en; Tipo de CFP Modo de operación del CFP Tipo de limitador de corriente en la lámpara Cantidad De interruptores Tipo de inversor Tipo de arrancador Formas de onda de voltaje y corriente en la lámpara Balastro Tres etapas Dos etapas Una etapa [7] [8] [9] [10] [11] [12] Convertidor cd-cd flyback Convertidor cd-cd elevador Convertid or cd-cd que corrige el factor de potencia o un circuito rectificado r más un capacitor de filtrado Convertid or cd-cd elevadorreductor Técnica de carga de bomba Convertidor cd-cd elevador integrado al medio puente rectificador TM MCD MCD MCD MCD MCD Convertidor cd-cd reductor 6 Mosfet 2 Diodos Puente Completo Externo por transformad or Cuadradas de baja frecuencia Convertidor cd-cd reductor 6 Mosfet 2 Diodos Puente Completo Externo por transformad or Cuadradas de baja frecuencia Convertid or cd-cd reductor 4 Mosfet + CFP Puente Completo Externo Cuadrada s de baja y alta frecuencia Convertid or cd-cd reductor integrado al puente inversor 6 Mosfet 1 Diodo Puente Completo Resonant e Cuadrada s de baja y alta frecuencia Convertidor cd-cd reductor integrado al puente inversor 4 Mosfet 5 Diodos Puente completo Externo por transformad or Cuadradas de baja y alta frecuencia Convertidor cd-cd reductor integrado al medio puente inversor 2 Mosfet 2 Diodos Medio puente Externo por transformad or Cuadradas de baja y alta frecuencia 4. CONCLUSIONES En este artículo se discuten los modos de operación de diversos balastros reportados en el estado del arte para lámparas de AID, con el propósito de dar a conocer sus características y comportamiento. Se aprecia que es posible simplificar cada vez más la cantidad de ~83~

etapas y disminuir el número de componentes en el balastro, para así aumentar su eficiencia, sin embargo, a pesar de que ésta sea la tendencia, los balastros de tres etapas, generalmente formados por un circuito corrector del factor de potencia, un circuito limitador de corriente y un inversor de potencia, siguen siendo producidos por las grandes empresas de iluminación en lámparas con potencias superiores a los 100 W, debido a que los balastros de dos o menos etapas, son poco factibles para operar lámparas de estas potencias a causa del estrés que sufren los componentes electrónicos de conmutación. BIBLIOGRAFÍA [1] J. Correa. Estrategias de Control en Lámparas de Alta Presión para la Eliminación de Resonancias Acústicas. Tesis Doctoral, CENIDET, Junio 2003. [2] Wang Wei; Zhang Weiqiang; Gao Guoan; Xu Dianguo A study of an electronic ballast for high pressure sodium lamp Power Electronics and Motion Control Conference 2000, Proceedings. IPEMC 2000.vol.3, pp 1056-1060. [3] 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. [4] JC. Antón, C. Blanco, F. Ferrero, A.Martín, N.Bordel, Acoustic Resonanc Effects in High Pressure Sodium Lamps. Industry Applications Conference, 2007. IEEE 2007, pp. 479-483. [5] J. Hirsch, B. Baumann, M. Wolff, S. Bhosle, R. Valdivia, Acoustic resonances in HID lamps Model and ~84~

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