BRPI0618223A2

BRPI0618223A2 - aparelho para operar pelo menos uma lámpada de descarga

Info

Publication number: BRPI0618223A2
Application number: BRPI0618223-2A
Authority: BR
Inventors: Bernhard Siessegger
Original assignee: Osram Ges Mit Beschronkter Haftung
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2011-08-23
Also published as: US20090251061A1; CA2626091A1; JP2009515295A; EP1943885A1; KR20080072891A; CN101300905A; WO2007051749A1; AU2006310626A1

Abstract

<B>APARELHO PARA OPERAR PELO MENOS UMA LáMPADA DE DESCARGA<D>A presente invenção refere-se a um aparelho para operar pelo menos uma lâmpada de descarga por meio de um ou mais conversores de tensão, em que o aparelho compreende um conversor de tensão que está na forma de um conversor inverso de Watkins-Johnson.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHOPARA OPERAR PELO MENOS UMA LÂMPADA DE DESCARGA".

A presente invenção refere-se a um aparelho de acordo com opreâmbulo da reivindicação 1.

I. Técnica Anterior

Conversores de dois estágios para operação de onda quadradade baixa freqüência de uma lâmpada de descarga de alta pressão são co-nhecidos. A figura 1 mostra o desenho de um conversor de dois estágios deacordo com a técnica anterior. O termo "conversor" neste contexto é sempredestinado a significar a combinação de conversor e inversor de tensão CC,embora o conversor de tensão CC, no sentido de eletrônica de potência, járepresente um "conversor" completo. O conversor de tensão CC produz, a-proximadamente, uma corrente de saída, que corresponde ao valor absolutoda corrente de lâmpada (conversor de U-I). Essa corrente de saída é conver-tida pelo invérsor a jusante em uma corrente de lâmpada, virtualmente deonda quadrada, de baixa freqüência, que ocorre, tipicamente, por meio deuma ponte completa.

O conversor de retorno tem encontrado amplo uso como umconversor de tensão CC para baixas tensões de entrada Ue (por exemplo,em uma tensão de entrada de 12V como em veículos motores). A figura 2mostra o circuito mais freqüentemente encontrado do lastro eletrônico intei-ro, compreendendo o conversor de retorno, a ponte completa e a unidade deignição por pulso.

II. Descrição das Figuras

A figura 1 mostra um circuito de dois estágios de um conversorde acordo com a técnica anterior;

A figura 2 mostra um circuito básico de um lastro eletrônicocompreendendo um conversor de dois estágios com um conversor de retor-no e uma ponte completa e uma unidade de ignição por pulso de acordocom a técnica anterior;

A figura 3 mostra um circuito básico de um lastro eletrônico deacordo com a invenção com um conversor inverso de Watkins-Johnson euma unidade de ignição, bem como uma lâmpada de descarga;

A figura 4 mostra a razão de tensão ε como uma função do fatorde serviço D para três diferentes relações entre as espiras de uma bobina ü(ü = 0,2 e ü = 1 bem como ü = 5);

A figura 5 mostra um diagrama de circuito do lastro eletrônico deacordo com a modalidade exemplificativa preferida da invenção, compreen-dendo um conversor inverso de Watkins-Johnson com comutadores de blo-queio de avanço e uma unidade de ignição por pulso bem como uma lâmpa-da de descarga;

A figura 6 mostra uma combinação de um conversor inverso deWatkins-Johnson e conversor do tipo indutor de redução de acordo com umaoutra modalidade exemplificativa da invenção;

A figura 7 mostra perfis padronizados de corrente e tensão doconversor inverso de Watkins-Johnson, dada uma corrente positiva de lâm-pada; e

A figura 8 mostra perfis padronizados de corrente e tensão doconversor inverso de Watkins-Johnson, dada uma corrente negativa de lâm-pada.

III. Descrição da invenção

O objetivo da invenção é proporcionar um conversor e um apare-lho de operação para uma lâmpada de descarga com Um circuito simplificado.

Este objetivo é alcançado de acordo com a invenção pelas ca-racterísticas da reivindicação 1. Modalidades particularmente vantajosas dainvenção são descritas nas reivindicações dependentes.

O circuito acima do conversor descrito de acordo com a técnicaanterior pode ser substancialmente simplificado, se um conversor de tensãoCC de subida com polaridade selecionável é usado. O inversor de acordocom a técnica anterior pode ser dispensado, se comutação de baixa fre-qüência da polaridade da tensão de saída do conversor de tensão CC forusada. Se considerarmos conversores de tensão CC com um elemento dearmazenamento indutivo, conforme discrito, por exemplo, na página 145 dolivro de Erickson, Robert W. e Maksimovic1 Dragan "Fundamentais of powerelectronicé' 2- edição, Kluwer Academic Publishers, Boulder, Colorado, LI-SA, 2002, a ponte completa de corrente alimentada e o conversor inverso deWatkins-Johnson satisfazem essas exigências. Nos casos, além do nível datensão de saída, sua polaridade também pode ser mudada pelo fator de ser-viço. Nesse caso, o conversor inverso de Watkins-Johnson é preferido àponte completa de corrente alimentada, uma vez que ele gerencia com me-nos comutadores semicondutores. Em comparação com o circuito acima,ilustrado na figura 2, do lastro eletrônico de acordo com a técnica anterior, amesma função pode ser assegurada agora com o aparelho de operação deacordo com a invenção ou o conversor de acordo com a invenção com ape-nas duas chaves semicondutoras em lugar de cinco. O aparelho de opera-ção de acordo com a invenção, portanto, compreende um conversor inversode Watkins-Johnson a fim de permitir a operação de onda quadrada de baixafreqüência por meio de um conversor de estágio único.

Um lastro compreendendo um conversor inverso de Watkins-Johnson incluindo uma unidade de ignição é mostrado na figura 3. Os comu-tadores usados são de bloqueio contra inversão e são acionados de modocomplementar com relação um ao outro. De modo ideal, precisamente umdos enrolamentos ni ou n2 está sempre conduzindo corrente. Em geral, nemo estado em que os dois comutadores estão conduzindo, nem o estado emque os dois comutadores estão desligados ocorrerá, o que torna a imple-mentação mais difícil e, usualmente, torna circuitos de segurança corres-pondentes necessários.

Se, por meio de simplificação, um capacitor de saída muitogrande C1 for usado como a base, sua tensão no estado estacionário, sob asuposição de comutadores ideais e um transformador sem perdas, acopladofixamente, com uma relação ü entre as espiras da bobina de

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é dada por<formula>formula see original document page 5</formula>

A figura 4 ilustra essa relação, pelo que a razão de tensão ε

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foi usada para fins ilustrativos.

Devido ao pólo e(D) e à demanda pelo fornecimento de uma ten-são de saída positiva e uma negativa, um controlador linear para controlar acorrente de lâmpada ou a potência da lâmpada não é possível para modula-ção de largura de pulso. Uma estrutura de controlador, compreendendo dois"controladores" independentes, em cada caso seguido por um limitador, queestabelece o fator de serviço máximo ou mínimo e, portanto, impede a ope-ração muito perto do pólo, seria concebível. Dependendo da polaridade de-sejada da tensão de saída, um dos dois sinais de saída dos limitadores éusado para acionar os comutadores Si e S2.

Se esse fator de serviço D for selecionado de tal maneira queuma tensão positiva Uci resulta, enquanto o comutador S2 está fechado, aindutância principal do transformador Tw é magnetizada por uma correntepositiva Is2 proporcionada pelo capacitor de saída C-i. Então, quando o co-mutador Si está fechado, ele é desmagnetizado mais uma vez pela correnteIsi, que está circulando, igualmente, na direção de contagem positiva, com aenergia sendo transmitida da entrada para a saída do conversor. Se o con-versor produz uma tensão de saída negativa, quando o comutador Si estáconduzindo, a magnetização da indutância principal ocorre por meio de umacorrente de comutador positiva, uma vez que a tensão aplicada por meio doenrolamento ni resulta como a soma dos valores absolutos de Ue e Uci- Emcontraste ao caso com uma voltagem de saída positiva, apenas uma fraçãoda energia armazenada no transformador Tw agora se origina do capacitorde saída C1. A energia armazenada é, então, transmitida para a saída,quando o comutador S2 é fechado e quando Is2 > 0.

Dadas as pré-condições acima, quando o comutador Si é fecha-do, a entrada de carga de tensão Us2 do comutador S2 é dada por<formula>formula see original document page 6</formula>

e, após uma operação de comutação, a carga de tensão Usi do comutadorSi é dada por

A carga de tensão mais alta ocorre se uma interrupção na ten-são de abastecimento ocorre logo antes que a lâmpada seja acesa, isto é, atensão sem carga do conversor Uw,o está presente na saída do conversor (afim de dar: Uci = Uw,o ou Uci = - Uw,o)·

Se a relação entre as espiras da bobina for selecionada comoum, que representa o melhor caso com relação às cargas de tensão de co-mutador, uma tensão de bloqueio no nível de duas vezes a tensão em cargado conversor ocorre quando a tensão de entrada é negligenciada. Esse ce-nário requer tensões de bloqueio comparativamente altas, o que representauma desvantagem da atratividade desse conceito. Se for suposto que esseestado de operação ocorrerá de modo comparativamente raro, comutadorescom uma baixa tensão de bloqueio e circuitos protetores correspondentespodem ser usados. Por exemplo, diodos zener, diodos Transil ou diodos su-pressores poderiam ser usados em paralelo com os comutadores Si, S2,que, possivelmente, resultam na descarga do capacitor de saída.

Além disso, uma relação entre as espiras da bobina de ü = 1 tema vantagem de que esse transformador Tw permite o melhor acoplamentomagnético entre ni e n2, e, portanto, particularmente, poucas perdas ocorremcomo resultado de indutâncias residuais de lado primário e de lado secundá-rio.

Indutâncias residuais de lado primário e de lado secundário par-ticularmente baixas podem ser obtidas por um projeto de enrolamento devoltas duplas do transformador Tw. Para essa finalidade, 5 enrolamentosidênticos são aplicados ao núcleo, por exemplo, usando tecnologia de enro-lamento correspondente. Então, por exemplo, 2 dos 5 enrolamentos são in-terconectados de modo a formar o enrolamento total ni e os 3 restantes sãointerconectados de modo a formar o enrolamento total n2, como resultado doque relações de transformação de enrolamento de 2/3 (exclusivamente cir-cuitos em série, compreendendo os enrolamentos individuais), ou de dois (n+compreende um circuito em série de enrolamentos individuais, enquanto n2compreende um circuito paralelo de enrolamentos individuais) ou de 1/3 (nicompreende um circuito paralelo de enrolamentos individuais enquanto n2compreende um circuito em série de enrolamentos individuais) podem serrealizados.

Se a unidade de ignição não é levada em consideração e a lâm-pada é modelada por meio de um resistor não reativo Rl3i a corrente iSi atra-vés do comutador Si muda durante o período DT do comutador Si entre

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linearmente através do tempo. Nesse caso, T denota a duração de um ciclode comutação completo. A corrente is2 através do comutador S2 se move de,modo similar de

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Se for suposto que os comutadores apenas conduzem correnteunidirecionalmente, a demanda para acionamento precisamente comple-mentar dos dois comutadores Si, S2 por meio de, em cada caso, um diodoDt e D2, respectivamente, em série com os comutadores Si e S2, respecti-vamente, conforme ilustrado na figura 5, pode ser proporcionada. Dessemodo, os comutadores semicondutores, que são convencionais nesta áreade aplicação, em particular transistores tais como MOSFETs, IGBTs e tran-sistores bipolares, podem ser usados como os comutadores Si, S2.

O uso dos diodos D1, D2 simplifica o acionamento considerável-mente: se for pretendido proporcionar uma tensão de saída positiva, Si esta-rá permanentemente ligado e o sinal de acionamento associado terá um va-lor constante e a S2 é fornecido um sinal de acionamento que muda com otempo, por exemplo, é modulado em largura de pulso. O inverso é verdadei-ro, no caso de uma tensão de saída negativa. Nesse caso, S2 pode perma-necer permanentemente fechado, e a S1 é fornecido um sinal de aciona-mento, que muda, correspondentemente, com o tempo, com o resultado deque apenas Si implementa operações de comutação. A fim de produzir umacorrente de saída com polaridade alternada, como é o caso, por exemplo,para operação de lâmpadas de descarga projetadas para tensão de CA, osistema é comutado periodicamente entre esses dois modos de acionamen-to.

Uma vez que o conversor não é capaz de proporcionar uma ten-são de saída positiva que seja menor do que a tensão de entrada (conformefigura 4), a maior tensão de entrada permissível deve estar acima da tensãomínima da lâmpada, com o resultado de que o uso é restrito às tensões deentrada baixas, por exemplo, o sistema elétrico de 12 V de um veículo moto-rizado. Para uso em tensões de entrada mais altas, também terá que serpossível reduzir uma dada tensão de saída positiva, como é possível, porexemplo, com o circuito estendido mostrado na figura 6. O diodo adicional D3forma, junto com Si e a indutância Lni do enrolamento n^ um conversor dotipo indutor redutor. A fim de ser capaz de continuar a assegurar a operaçãodo conversor inverso de Watkins-Johnson apesar do diodo D3, o referido di-odo D3 só estará ativo dada uma tensão de saída positiva. Isso necessita ocomutador S3 adicional, por exemplo, um MOSFET no modo reverso (isto é,um terminal fonte do MOSFET é conectado ao anódio de D3). As figuras 7 e8 mostram perfis padronizados de corrente e tensão (u*x = ux/Ue and i*x =ix/li_a) dos valores instantâneos correspondentes de tensões e correntes parao circuito mostrado na figura 5, com a lâmpada tendo uma tensão de opera-ção nominal de 40 V e uma potência nominal de 32 W. A lâmpada La é ope-rada em uma baixa freqüência, corrente de onda virtualmente quadrada de130 hertz na potência nominal. As relações para uma corrente de lâmpadapositiva são mostradas na figura 7 e aquelas para uma corrente de lâmpadanegativa são mostradas na figura 8. Nesse caso, as relações são mostradasapós o final de um chamado aumento de potência da lâmpada, que se seguea partir da ignição da lâmpada e em que o valor médio através do tempo dacorrente da lâmpada está acima da corrente nominal da lâmpada.

TiP nas figuras 5 e 6 denota o transformador de ignição de umaunidade de ignição , cujo enrolamento secundário L|P,S é conectado em sériecom o caminho de descarga da lâmpada La.

O fator de serviço D, transmitido para os comutadores Si, S2 doconversor inverso de Watkins-Johnson é limitado aos valores com uma dis-tância suficiente do pólo da relação de transformação de tensão e(D), a fimde evitar uma operação de estado estacionário na região do pólo da relaçãode transformação de tensão e(D).

De acordo com a modalidade exemplificativa preferida da inven-ção, a lâmpada La mencionada acima é uma lâmpada de descarga de altapressão de haleto metálico isenta de mercúrio para uso em uma lâmpadafrontal de veículo motorizado. De acordo com essa modalidade exemplifica-tiva, as variáveis mencionadas acima têm os seguintes valores:Tensão de entrada Ue = 12 V

o transformador Tw tem um projeto de enrolamento de voltasduplas com uma relação entre as espiras de uma bobina de ü = 1,capacitância do capacitor de saída Ci = 1 pF,indutância Lni do enrolamento ni: Lni = 100 μΗ,indutância Lipi3 do enrolamento secundário do transformador deignição TiP é 500 μΗ,freqüência de comutação f dos comutadores Si, S2: f = 100 kHz.

Claims

1. Aparelho para operar pelo menos uma lâmpada de descargapor meio de um ou mais conversores de voltagem, caracterizado pelo fato deque o aparelho compreende um conversor de tensão, que está na forma deum conversor inverso de Watkins-Johnson.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, o conversor inver-so de Watkins-Johnson compreendendo dois meios de comutação que co-mutam alternadamente.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, o conversor inver-so de Watkins-Johnson tendo um transformador (Tw) com um primeiro enro-lamento (ni), que é conectado em série com o primeiro dispositivo de comu-tação (Si), quando o primeiro dispositivo de comutação é fechado e com umsegundo enrolamento (n2), que é conectado em série com o segundo meiode comutação (S2), quando o segundo dispositivo de comutação é fechado.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, o primeiro ou osegundo meio de comutação estando na forma de um circuito em série quecompreende um diodo (D1, D2) e um comutador de semicondutor (S-ι, S2).

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, o(s) comuta-dor(es) de semicondutor (Si, S2) estando na forma de transistores.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, o primeiro ou osegundo meio de comutação sendo protegido contra sobrecarga de tensãopor diodos zener, diodos Transil ou diodos supressores dispostos em parale-lo.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, o aparelho sendoprojetado de tal maneira que, em faixas de tempo com uma polaridade dacorrente da lâmpada que é constante através do tempo, um sinal de acio-namento com um estado de mudança é fornecido apenas a um dos comuta-dores de semicondutores (Si, S2) e um sinal de acionamento que é constan-te através do tempo é fornecido ao outro dos dois comutadores semicondu-tores (Si, S2), de modo que esse outro comutador semicondutor está perma-nentemente ligado.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, o circuito sendoestendido por um meio de comutação adicional (S3), de modo que redução épossível dada uma tensão de saída positiva.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 7, o meio de comu-tação adiconal estando na forma de um circuito em série compreendendoum diodó (D3) e um comutador de semicondutor (S3).

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, o comutador desemicondutor adicional (S3) sendo formado por um MOSFET no modo reverso.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, a relação entreas espiras da bobina (ü) do transformador (Tw) estando na faixa de entre 1/5 e 5.

12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, a relação entreas espiras da bobina (ü) do transformador (Tw) sendo um.

13. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, os enrolamentosdo transformador (Tw) sendo enrolados duplos.

14. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesde 2 a 7, meios para limitar o fator de serviço (D), que é transmitido para oscomutadores de semicondutores (Si, S2) sendo proporcionados.