ES2274675A1 - Sistema para el encendido suave y control de potencia en balastros electronicos. - Google Patents
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Abstract
La presente invención es un circuito de encendido suave y control de potencia de la lámpara aplicable a balastos electrónicos para lámparas de descarga y especialmente lámparas fluorescentes de cátodo caliente. El circuito propuesto emplea una inductancia variable controlada por una corriente continua para realizar tanto el arranque suave de la lámpara como para controlar la potencia entregada a la misma, y de esta forma controlar el flujo luminoso emitido por ella. Las principales ventajas de esta invención frente a la tecnología actual es la de permitir realizar el control del balasto a frecuencia constante y proporcionar al mismo tiempo aislamiento galvánico entre el circuito de control y el de potencia. De aplicación en el sector de iluminación.
Description
Sistema para el encendido suave y control de
potencia en balastos electrónicos.
El objeto de la presente invención son los
circuitos electrónicos de alimentación de lámparas de descarga,
conocidos habitualmente como balastos electrónicos. Más en
concreto, está relacionada con el subcircuito que controla el
balasto electrónico tanto durante la fase de encendido, como en
régimen permanente. Durante el proceso de encendido la invención
permite el arranque suave de la lámpara y via el desgaste excesivo
de los electrodos, ya que el desgaste de los electrodos en las
lámparas de descarga es el principal motivo de fallo de las mismas.
Un desgaste excesivamente prematuro provoca que la vida útil de
lámpara sea muy inferior a la máxima vida obtenida con un circuito
de arranque adecuado. Una vez encendida la lámpara el sistema
objeto de la invención permite también el control de la potencia
entregada a la lámpara en régimen permanente.
El problema básico del encendido de las lámparas
de descarga de cátodo caliente es la necesidad de someter los
electrodos a un calentamiento previo a la aplicación de la tensión
de arranque o encendido. Los electrodos deben alcanzar una
temperatura adecuada para la generación de electrones por emisión
termoiónica, típicamente unos 800ºC. De esta forma, la
concentración de electrones en el volumen de descarga aumenta
rápidamente y la descarga se produce con una tensión de arranque
relativamente baja, unas tres o cuatro veces la tensión de pico de
la lámpara una vez estabilizada.
Si los electrodos no alcanzan la temperatura de
emisión, la concentración de electrones en el volumen de descarga
será reducida y la tensión necesaria para iniciar la descarga será
elevada. Esta elevada tensión de arranque provoca que los átomos
del gas noble auxiliar empleado para iniciar la descarga sean
fuertemente acelerados por el campo eléctrico reinante en el
interior del volumen de descarga.
Estos átomos impactan finalmente con los
electrodos situados en los extremos de la lámpara y, puesto que
poseen una elevada energía cinética, arrancan partículas del
material de emisión existente en el electrodo que finalmente se
deposita sobre las paredes del volumen de descarga próximas a los
electrodos. Este fenómeno produce el ennegrecimiento típico de los
extremos de la lámpara que indica que la vida de la misma está
llegando a su fin. Si el encendido de la lámpara no es adecuado, el
ennegrecimiento es muy rápido y la vida de la lámpara es
reducida.
Por lo tanto el objetivo principal del circuito
de encendido es permitir el calentamiento adecuado de los electrodos
de la lámpara y posteriormente aplicar la tensión de encendido
estrictamente necesaria para provocar la descarga sin desgaste de
los electrodos, basándose la mayoría de los circuitos existentes en
la literatura sobre el tema en este método de funcionamiento.
Habitualmente los balastos electrónicos para el
encendido y alimentación de lámparas de descarga se basan en el
empleo de un circuito resonante a alta frecuencia formado
típicamente por una bobina y un condensador en serie. Este circuito
se alimenta con una onda cuadrada de tensión de frecuencia próxima a
la de resonancia. La lámpara se conecta en paralelo con el
condensador. La forma habitual de conexión es colocar dos extremos
de los electrodos contrarios en serie con la bobina y los otros dos
conectados al condensador. De esta forma, durante los instantes
iniciales de encendido es posible hacer circular una corriente de
calentamiento a través de los electrodos. (D. M. Vasiljevic, "The
design of a batteryoperated fluorescent lamp", IEEE Transactions
on Industrial Electronics, Vol. 36 Nº 4, Noviembre 1989).
La mayoría de balastos electrónicos
comercializados en la actualidad emplean el esquema anterior junto
con la frecuencia de conmutación como parámetro de control. La
frecuencia de conmutación es variada para realizar tanto el arranque
suave, como el control de la potencia en la lámpara. Sin embargo, el
uso de la frecuencia de conmutación como parámetro de control
presenta los siguientes inconvenientes:
- Mayor ruido electromagnético conducido y
radiado
- Dificultad para optimizar los elementos
magnéticos al tener que ser diseñados para un rango de
frecuencias
- Bajo rendimiento a potencias reducidas en la
lámpara debido a manejo de fuertes corrientes reactivas en el
circuito resonante
- Circuitos de control más complejos que
permitan variar la frecuencia con una cierta precisión
- Imposibilidad de sincronizar la frecuencia de
conmutación con otras frecuencias para evitar interferencias.
Otro parámetro que puede emplearse para realizar
el control del balasto manteniendo la frecuencia constante es la
tensión continua que alimenta al inversor (S.Y.R. Hui et al,
patente US 6.545.431) que permite controlar la amplitud de la onda
cuadrada que llega al circuito resonante y de esta manera pudiendo
controlarse así la amplitud de la tensión aplicada a la lámpara. De
esta manera es posible realizar el arranque suave y controlar la
potencia entregada a la lámpara. Sin embargo, este método obliga a
emplear una etapa de control adicional para poder ajustar la
tensión continua lo que encarece en gran medida el coste del
balasto, especialmente en aplicaciones donde la tensión de entrada
es ya una tensión continua obtenida desde baterías.
Una tercera posibilidad para el control del
balasto electrónico es emplear modulación de anchura de pulso en la
tensión de entrada al tanque resonante. La modulación de anchura de
pulso se consigue haciendo que uno de los transistores del puente
esté en conducción durante un periodo de tiempo mayor que el otro
transistor. De esta manera se consigue una onda con un nivel de
continua más una componente alterna cuya amplitud depende del nivel
de modulación. El nivel de continua es filtrado empleando un
condensador de bloqueo en serie y la componente alterna variable
permite controlar la potencia entregada a la lámpara (F. Raiser;
"Dim the lights. Problems with lamp current control using a pwm
signal". IEEE Industry Applications Magazine, nov/dec 2002, pp.
828-836). Con este método se consigue mantener
también la frecuencia constante. No obstante, el contenido armónico
de la onda aplicada al tanque resonante es elevado por lo que se
dificulta el diseño de los elementos magnéticos y el filtrado del
ruido electromagnético emitido. Otro inconveniente es que para
niveles reducidos de potencia en la lámpara la forma de onda de
corriente presenta gran distorsión, con un factor de cresta
elevado, lo que disminuye la vida útil de la lámpara.
La Figura 1 representa el esquema general a
nivel de bloques de un posible circuito para la aplicación de la
invención aludiendo las referencias numéricas a (1) Circuito de
mando de los transistores de potencia, (2) y (3) Transistores de
potencia del puente, (4) Condensador de bloque de la componente
continua, (5) Bobina variable que forma parte del circuito
resonante, (6) Fuente de corriente continua para el control de la
bobina variable, (7) Lámpara y (8) Condensador del circuito
resonante.
La Figura 2 muestra una posible implementación
de la bobina variable, donde (20) Núcleo magnético en doble E,
(21), y (22) - Devanados auxiliares para el control de la
inductancia, (23) Devanado principal de la bobina y (24) Fuente de
corriente continua para el control de la inductancia.
La Figura 3 muestra la variación de la
inductancia con la corriente continua de control.
La Figura 4 muestra el circuito equivalente del
balasto electrónico durante el proceso de arranque de la lámpara,
siendo (30) Fuente de tensión alterna equivalente al primer
armónico de la onda cuadrada, (31) Inductancia variable, (32), (33),
(34) y (35) Resistencias equivalentes de los electrodos de la
lámpara y (36) - Condensador del circuito resonante.
La Figura 5 muestra las curvas tensión en
lámpara en función de la inductancia del circuito resonante e
ilustra el proceso de arranque suave sobre ellas.
La Figura 6 muestra el circuito equivalente del
balasto electrónico durante el funcionamiento con la lámpara
encendida, donde (40) Fuente de tensión alterna equivalente al
primer armónico de la onda cuadrada, (41) Inductancia variable,
(42), (43), (44) y (45) Resistencias equivalentes de los electrodos
de la lámpara, (46) Condensador del circuito resonante y (47)
Resistencia equivalente al arco eléctrico de la lámpara.
La Figura 7 muestra el aspecto de la curva de
control de potencia en lámpara en función de la inductancia del
circuito resonante.
El objeto de la presente invención es un sistema
de control de balastos electrónicos, que permite realizar tanto la
fase de encendido suave como la de control de potencia en la
lámpara. La Figura 1 muestra uno de los posibles circuitos que
permiten realizar la alimentación de la lámpara con el método de
control propuesto. El esquema corresponde a la etapa de potencia
típica de un balasto electrónico. Esta formado por un circuito en
medio puente formado por los transistores MOSFET (2) y (3), que
están gobernados en modo de conmutación por medio del circuito de
mando (1). Este circuito está alimentado por un bus de continua que
puede ser obtenido a partir de baterías o bien desde la red alterna
por medio de un rect1ficador y un filtro o también por una etapa
electrónica previa de corrección de factor de potencia. La forma de
obtener este nivel de continua no afecta a la presente invención,
siendo aplicable a todos los casos.
Los transistores (2) y (3) son activados
alternativamente de manera que entre los puntos (A) y (B) se
obtiene una onda cuadrada con un nivel de continua superpuesto igual
a la mitad de la tensión continua del bus de entrada. Esta onda
generada es filtrada por medio del circuito resonante formado por
los elementos pasivos (4), (5) y (8), para conseguir con ellos
encender la lámpara (7) y alimentarla con un onda senoidal, de
forma que el factor de cresta de la lámpara sea menor de 1.7, tal
como se recomienda en la normativa de alimentación de lámparas
(Balastos electrónicos alimentados en corriente alterna para
lámparas fluorescentes tubulares. UNE EN 60929). Nótese que el
condensador (8) se conecta a dos electrodos de la lámpara de manera
que es posible la circulación de corriente a través de los
electrodos durante los instantes previos al encendido de la
lámpara.
En circuito objeto de la invención los
transistores (2) y (3) trabajan a frecuencia constante y el control
se realiza por medio de la bobina variable (5), cuyo valor
inductivo se puede controlar por medio de una corriente continua,
que se ha representado por la fuente de corriente (6). La invención
es aplicable a cualquier forma de realización de esta fuente de
continua, siendo una posibilidad típica y de bajo coste el empleo
de un transistor bipolar polarizado en zona activa.
La Figura 2 representa una posible realización
de la bobina variable. Se emplea un núcleo magnético en doble
"E" (20), con un devanado doble auxiliar (21) y (22) por el
cual se hace circular la corriente continua que controla su valor
inductivo. El devanado principal (23) se coloca en la columna
central, la cual debe disponer de un ligero entrehierro para que la
bobina funcione correctamente. La fuente de corriente continua (24)
se emplea para hacer circular la corriente de control a través de
los devanados (21) y (22).
Para el prototipo ensayado en el laboratorio se
construyó una bobina siguiendo el esquema anterior. La Figura 3
muestra la curva de variación de la inductancia con la corriente de
control. Cuando la corriente continua de control es nula se tiene el
máximo valor de la inductancia, mientras que a medida que se
aumenta dicha corriente se va disminuyendo el valor inductivo. Este
comportamiento resulta muy útil para el control del balasto
electrónico, permitiendo mantener constante la frecuencia de
conmutación del mismo.
La utilidad del método de control propuesto
tanto para la fase de encendido suave como para el control de
potencia en la lámpara, se describe a continuación.
La Figura 4 muestra el circuito equivalente del
balasto electrónico durante la fase encendido. El comportamiento
del circuito en medio puente se modela por medio de la fuente de
tensión senoidal (30), cuya amplitud es equivalente al primer
armónico de la onda cuadrada generada por el puente de transistores.
La impedancia del condensador de bloqueo (4) mostrado en la Figura 1
suele ser despreciable a la frecuencia de funcionamiento por lo que
no aparece en este circuito equivalente. El circuito resonante queda
compuesto por la bobina variable (31) y el condensador paralelo
(36). En esta fase la lámpara está apagada por lo que se comporta
como un circuito abierto, quedando los electrodos de la lámpara
conectados en serie con los elementos resonantes. Para el diseño de
la fase de encendido es necesario conocer la corriente que circulara
a través de los filamentos y la tensión que aparece entre los
extremos de la lámpara. Una aproximación bastante realista es
despreciar la impedancia que suponen los electrodos de la lámpara,
dado su bajo valor resistivo. En estas condiciones, la tensión en la
lámpara (V_{O}) y la corriente de caldeo (I_{C}) a través de los
electrodos pueden obtenerse a partir de las ecuaciones
siguientes:
(1)V_{O} =
\left|\frac{V_{E}}{4\pi^{2}f^{2}LC -
1}\right|
(2)I_{C} =
\left|\frac{V_{E}}{2\pi fL - \frac{1}{2\pi
fC}}\right|
donde f representa la frecuencia de
conmutación, L el valor de la inductancia variable, C la capacidad
del condensador y V_{E} la tensión senoidal de
entrada.
A partir de las ecuaciones (1) y (2) se
justifica que el valor de la inductancia L se puede emplear como
parámetro para controlar la tensión y la corriente de caldeo, de
forma similar a como podría hacerse empleando la frecuencia de
conmutación. Estos parámetros pueden variarse entre cero para un
valor de la inductancia teóricamente infinito, hasta un valor
teóricamente infinito para un valor de la inductancia L_{R} que
verifique la siguiente ecuación:
(3)L_{R} =
\frac{1}{4\pi^{2}f^{2}C}
valor en el que se anulan los
denominadores de las ecuaciones (1) y (2), y que podemos denominar
la inductancia de
resonancia.
Para ilustrar el proceso de encendido en la
Figura 5 se muestra la tensión en la lámpara en función del valor
de la inductancia. El proceso de arranque suave comienza en el punto
A, con un valor elevado de la inductancia. En este punto se tiene
la corriente de caldeo de los filamentos adecuada para que alcancen
la temperatura de emisión de electrones. Posteriormente, se reduce
el valor de la inductancia por medio de la corriente continua de
control de la misma, hasta llegar a la tensión de encendido de la
lámpara (punto B). Una vez que la lámpara ha encendido se alcanza el
punto de funcionamiento en régimen permanente (punto C) ya es
posible variar la inductancia de nuevo para ajustar el nivel de
potencia deseado en la misma, como se justificará a continuación.
El proceso es similar al realizado empleando la frecuencia de
conmutación como parámetro de control pero ahora se emplea la
inductancia controlada por la corriente continua y se trabaja a
frecuencia constante.
En cuanto al control de potencia en la lámpara,
la Figura 6 muestra el circuito equivalente una vez que la lámpara
ce ha encendido. Despreciando la resistencia de los electrodos se
obtiene la siguiente expresión de la potencia en la lámpara:
(4)P_{LA} =
\frac{V^{2}_{LA}}{R} = \frac{V^{2}_{E}R}{R^{2}(1-4
\pi^{2} f^{2} LC)^{2} + 4\pi^{2} f^{2}
L^{2}}
donde R representa la resistencia
equivalente de la
lámpara.
A partir de la expresión (4) se puede deducir
que la potencia en la lámpara puede ser controlada por medio del
valor de la inductancia del circuito resonante, de forma similar a
como podría hacerse empleando la frecuencia de conmutación. La
Figura 7 muestra la curva de regulación obtenida por medio de los
ensayos realizados en el laboratorio.
La presente invención presenta frente a los
medios habituales de controlar balastos electrónicos como puede ser
el control por frecuencia, el control por tensión continua de
entrada o el control por modulación de anchura de pulso, las
siguientes ventajas:
Funcionamiento a frecuencia constante
- -
- Mejora de la linealidad de la curva de control
- -
- Mejora del rendimiento a bajas frecuencias
- -
- Aislamiento galvánico intrínseco al método de control
- -
- Mayor inmunidad al ruido gracias al control por corriente
- -
- Mayor robustez gracias al empleo de un elemento magnético variable
- -
- Mayor fiabilidad
Claims (4)
1. Sistema para el encendido suave y control de
potencia en balastos electrónicos caracterizado porque emplea
transistores trabajando en conmutación para generar una onda
cuadrada de tensión o de corriente que posteriormente es filtrada
empleando bobinas y condensadores, donde la inductancia de una de
las bobinas es variable y controlable por medio de una corriente
continua.
2. Un circuito, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la frecuencia de conmutación de los
transistores se mantiene constante en el tiempo.
3. Un circuito, según las reivindicaciones 1 y
2, caracterizado porque el proceso de calentamiento de
electrodos y encendido de la lámpara, se realiza por medio de la
variación de una o varias de las inductancias del circuito resonante
que filtran la onda cuadrada del puente.
4. Un circuito, según las reivindicaciones 1, 2,
y 3, caracterizado porque una vez encendida la lámpara el
control de potencia de la misma se realiza por medio de la
variación de una o varias de las inductancias del circuito resonante
que filtran la onda cuadrada del puente.
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| ES (1) | ES2274675B1 (es) |
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| [en línea] [recuperado el 23.04.2007] Recuperado de: EPOQUE database & JP 2003045686 A (TOSHIBA LIGHTING & TECHNOLOGY) 14.02.2003, resumen; figuras * |
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