ES2318014T3 - Modulo de pwm programable para controlar un balasto. - Google Patents
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Abstract
Aparato previsto para generar un conjunto de señales (201) para controlar un balasto electrónico, comprendiendo dicho aparato un registro (102) de control para aceptar múltiples estados, cada uno de los cuales representa un modo en el que se generan dichas señales (201), en el que dicho registro de control está conectado a un conjunto de puertas (306) lógicas, y en el que se utiliza el estado en dicho registro de control para configurar las puertas lógicas para implementar uno o más de (1) un retardo entre señales y (2) un solapamiento de señales en el tiempo.
Description
Módulo de PWM programable para controlar un
balasto.
La presente invención se refiere al control de
sistemas de iluminación, y más específicamente, a un procedimiento
y aparato mejorados para controlar un balasto para activar un
dispositivo de iluminación o dispositivo de este tipo similar.
Los generadores de modulación por anchura de
impulsos (PWM, Pulse Width Modulation) se usan en una
diversidad de aplicaciones para controlar la potencia suministrada
a un dispositivo electrónico. En el control de un balasto para su
uso en la activación de un dispositivo de iluminación electrónico o
similar, normalmente se utiliza uno de cuatro modos diferentes. Más
específicamente, el sistema de circuitos de control para el balasto
genera habitualmente uno de cuatro conjuntos diferentes de señales,
y en el que el modo define la relación particular de dos secuencias
diferentes de impulsos (es decir, formas de onda) que salen del
sistema de circuitos de control y se utilizan para activar el
balasto. Las dos formas de onda de control se introducen entonces
en las puertas de diferentes conmutadores de transistor, apagando y
encendiendo los conmutadores para generar la señal modulada por
anchura de impulsos requerida. Por tanto, se hace referencia a las
dos formas de onda como G1 y G2, puesto que se usan como señales de
selección a dos conmutadores diferentes. Los conmutadores se
implementan habitualmente como transistores.
En el primer modo, se generan las formas de onda
mostradas como 201 en la figura 2. Las formas G1 y G2 de onda de
control utilizadas en modos adicionales se muestran como 202 a 204,
respectivamente en la figura 2. Todos los cuatro modos diferentes
generan las dos señales G1 y G2 de selección, pero éstas son
diferencias entre los modos.
Según se muestra en la figura 2, en el primer
modo las formas de onda son opuestas entre sí, sin desfase o
retardo entre las dos. En un segundo modo 202, las formas de onda
están separadas por un retardo de T3 entre el final de G1 y el
comienzo del impulso G2. En el modo tres, las formas de onda también
están separadas por un retardo T3, aunque la anchura de impulso de
las dos ondas es diferente entre las dos formas de onda, y en el
modo cuatro las formas de onda se solapan y son de diferente
anchura.
En sistemas prácticos, como los utilizados por
el cesionario de la presente invención, los cuatro conjuntos de
formas de onda descritos en el presente documento son adecuados para
cumplir con las necesidades de órdenes y control de la mayor parte
de los sistemas.
Normalmente, las formas de onda de control se
generan usando un sistema de circuitos o bien digital físicamente
conectado o bien analógico. Una implementación analógica usa de
forma convencional un oscilador controlado por tensión (VCO,
voltage-controlled oscillator) y un
comparador analógico para controlar una anchura de impulso
basándose en un lazo de realimentación analógico. Normalmente se
implementa un circuito de control de PWM digital usando un registro
y contador digital.
Normalmente se prefiere la implementación
digital debido a su precisión aumentada y el hecho de que no es tan
susceptible a los cambios de temperatura, etc.
En el documento WO 99/12399 A por ejemplo se da
a conocer un balasto para controlar el funcionamiento de una carga
eléctrica que comprende un conversor buck de modo de conmutación
para suministrar corriente CC controlable a un inversor para
excitar la carga. Un controlador programable está conectado con el
conversor, inversor y la red de encendido de la lámpara.
El documento WO 00/35252 da a conocer un
controlador de potencia para la atenuación de lámparas
fluorescentes, usando todos controles programables externos e
internos digitales. Se describe un ASIC específico. Una disposición
de puertas y microordenador comparten funciones paralelas con
funciones secundarias rápidas llevadas a cabo por la disposición de
puertas y funciones secundarias más lentas llevadas a cabo por un
microprocesador. Se proporcionan circuitos para corte automático
cuando se detecta un fallo de tierra de alta frecuencia; para
conectar los filamentos de lámparas de descarga en un circuito en
serie/paralelo; para llevar la carga lo más cerca de la resonancia
posible aunque en un modo inductivo; y para desarrollar un tiempo
muerto entre conmutaciones de lado de alta tensión y de lado de
baja tensión que está relacionado con la corriente del
transformador, corriente del conmutador, la tensión de puente o la
dv/dt de la tensión de puente.
En el documento
US-A-6 157 093 se da a conocer una
disposición de controlador programable de
maestro-esclavo para implementar esquemas de
control en varias topologías de sistema de control. La disposición
emplea un diseño modular que permite a una unidad maestra ajustar
modos operativos para una o más casos particulares de la misma
unidad esclava genérica. La unidad maestra y la unidad esclava se
comunican a través de una interfaz de comunicaciones. Cada unidad
esclava se configura mediante la unidad maestra para
monitorizar/controlar uno o más componentes o fases de, por
ejemplo, un suministro de potencia.
Sin embargo, hasta la fecha, no existe un
generador de PWM flexible que pueda crear alguna de las cuatro
formas de onda requeridas y que también incluya un sistema de
circuitos de protección fiable. Existe una necesidad de un sistema
de este tipo, junto con la habilidad de cambiar modos para
diferentes tipos de funcionamiento.
Los problemas anteriores y otros de la técnica
anterior se superan según la presente invención. Más
específicamente, se diseña un módulo de PWM multifunción para
generar cualquiera de varias formas de onda que pueden utilizarse
para activar un balasto.
La técnica inventiva usa un conjunto programable
de registros en combinación con un sistema de circuitos lógico
configurable para emular diferentes disposiciones de hardware que de
otro modo generarían uno específico de los cuatro posibles
conjuntos de formas de onda.
En la realización preferida, los valores se
programan en un registro de control, y a continuación se usan tales
valores para configurar el sistema de circuitos lógico para un
retardo y desfase específico con respecto a dos
seña-
les.
les.
La figura 1 ilustra un hardware a modo de
ejemplo y un diagrama funcional de una realización a modo de ejemplo
de la presente invención;
la figura 2 muestra un conjunto de formas de
onda que puede usarse para activar un balasto electrónico del tipo
en conjunción con el cual puede usar la presente invención;
la figura 3 ilustra una disposición a modo de
ejemplo que puede usarse para generar las señales requeridas para
un primer modo de funcionamiento de la presente invención;
la figura 3A ilustra un diagrama de sincronismo
de diferentes señales utilizadas en dicho primer modo;
la figura 4 ilustra una disposición a modo de
ejemplo que puede usarse para generar las señales requeridas para
un segundo modo de funcionamiento de la presente invención;
la figura 4A ilustra un diagrama de sincronismo
de varias señales utilizadas en dicho segundo modo;
la figura 5 ilustra una disposición a modo de
ejemplo que puede usarse para generar las señales requeridas para
un tercer modo de funcionamiento de la presente invención;
la figura 5A ilustra un diagrama de sincronismo
de varias señales utilizadas en dicho tercer modo;
la figura 6 ilustra una disposición a modo de
ejemplo que puede usarse para generar las señales requeridas para
un tercer modo de funcionamiento de la presente invención;
la figura 6A ilustra un diagrama de sincronismo
de varias señales utilizadas en dicho tercer modo.
La figura 1 ilustra un diagrama de bloques a
modo de ejemplo de una disposición según la presente invención. La
disposición comprende el sistema 1 de circuitos lógico básico que
puede implementarse utilizando componentes discretos, y una
disposición lógica programable, u otra disposición similar. El
sistema de la figura 1 también incluye un registro 102 de control
para almacenar diversos valores descritos a continuación y cargar
esos valores para su uso por el sistema 101 de circuitos lógico.
Los contadores 103 y 104 y los registros 105 y 106 sirven para
aplicar las señales relevantes para su uso en el sistema 101 de
circuitos. Los contadores 110 y 112 alimentan la lógica 114 de
salida según se muestra para generar las señales G1 y G2. Estos
contadores se cargan a través de los registros 16 y 118 según se
muestra.
Las ubicaciones 0 a 7 de almacenamiento en el
registro 102 de control contienen la información para hacer
funcionar el módulo de PWM. La posición SR 0 es reinicio de software
que funciona para reiniciar todos los contadores y registros,
diferentes del registro de control, a 0. Las ubicaciones 1 y 2
designadas PM (1) y PM (2) representan dos bits utilizados para
especificar el particular de los cuatro modos posibles que deberían
utilizarse para generar las señales G1 y G2. Las ubicaciones 3 y 4
representan bits de parada síncrona para las señales G1, G2 y las
señales GE1 y GE2 (GE1 y GE2 usadas para control de calentamiento de
electrodo).
Las ubicaciones 5 a 6 del registro 102 de
control representan bits de control de protección, que sirven para
ajustar una tensión que va a entregarse máxima. Esto protege el
sistema de circuitos en caso de que el ciclo de trabajo de PWM se
vuelva lo suficientemente grande para producir de otro modo una
condición de sobretensión. Finalmente la ubicación 7 se denomina
T lock, y representa un bit de control de bloqueo de
parámetro de sincronización. La ubicación T lock se ajusta
cuando todos los demás parámetros para la señal de PWM son válidos.
Esto impide que la señal de PWM empiece hasta que todos los
parámetros para la señal estén correctamente ajustados.
Los registros 105, 106, 116, 118 y 120 se
utilizan para ajustar los diversos parámetros de sincronismo,
frecuencia y anchura de impulso para la generación de formas G1 y
G2 de onda. Más específicamente, en la realización a modo de
ejemplo, el registro 105 representa la frecuencia de la señal de PWM
que va a generarse. El registro 116 es un parámetro T1, que
representa la anchura de impulso de la señal G1. El registro 118 es
un parámetro denominado T2, que representa la anchura de impulso de
G2. Finalmente, el registro 106 es un parámetro T3, que se ajusta
igual que el retardo deseado entre los impulsos G1 y G2 para obtener
el desfase apropiado.
El registro 120 se usa para almacenar un
parámetro TE, que es una anchura de impulso deseada de GE1/GE2. GE1
y GE2 se usan para el control de calentamiento de electrodo, en vez
de como control de balasto. El registro 122 almacena el valor de la
anchura de impulso mínima para proporcionar protección del circuito
en caso de una condición de sobretensión.
Todos los contadores mostrados como 103, 104,
110, 112 y 128 son contadores programables binarios. Según se
muestra, los contadores utilizan números almacenados en sus
registros asociados y a continuación cuentan hacia arriba o hacia
abajo a partir de esos números para generar los retardos,
temporizadores de anchura de impulso requeridos, etc.
A continuación se describirá el funcionamiento
del sistema en los cuatros modos deseados diferentes con referencia
a las figuras 1 a 4.
En el modo uno, es deseable generar las formas
de onda indicadas como 201 en la figura 2. Cuando el registro 102
de control se ajusta para implementar el modo 1, la lógica 101 está
en el estado mostrado en la figura 3. El resto de elementos de la
figura 1 no se utiliza en el modo 1. El diagrama de sincronismo del
sistema mostrado en la figura 3 se muestra en la figura 3A. El
funcionamiento del módulo de PWM en el modo 1 es la siguiente:
durante el tiempo designado cuando G_FC =1, A1 permanece alto y A2
es bajo. El contador 110 está habilitado y el contador 112 está
deshabilitado. Puesto que el registro 116 representa la anchura de
impulso de G1, la salida Q1 del contador 110 permanecerá alta hasta
que el contador 110 termine de contar. A continuación el contador
110 dejará de contar y ajustará G1 igual a 0.
Según se indica en el diagrama de sincronismo,
figura 3A, el segundo contador 112 comenzará entonces a contar
hasta subir G2 hasta un alto lógico. Cuando se alcance T2, el valor
en el contador 112, el contador dejará de contar y volverá a
ajustar G2 a 0 según se muestra en el diagrama de sincronismo de la
figura 3A. Las líneas discontinuas en la figura 3A muestran la
posible longitud de cada una de las señales G1 y G2. Puede
apreciarse que el funcionamiento en el modo uno prevé que G1 y G2
sean trenes de impulsos separados que no se solapan y que cada uno
sea normalmente el inverso del otro.
El modo dos se ilustra en la figura 4, con el
diagrama de sincronismo correspondiente ilustrado a continuación en
la figura 4A. Obsérvese que a diferencia del modo de funcionamiento
previo, la disposición del modo dos incluye las señales generadas
por el contador 104, y así provoca el retardo mostrado como T3 en el
diagrama de sincronismo de la figura 4A. Durante el funcionamiento
del sistema en el modo dos, los contadores 104 y 110 están
habilitados y empiezan a contar. Cuando se alcance el tiempo de
retardo apropiado T3, el contador 104 dejará de contar y situará un
nivel lógico bajo en la salida Q3. Esto hará que la señal G1 se
sitúe a un nivel alto durante un tiempo ajustado por T1. Cuando G1
pasa a un nivel bajo, el sistema de circuitos de la figura 4
provoca un retardo adicional de T3 antes de situarla en un nivel
alto en la señal G2. Por tanto, las dos señales G1 y G2 representan
trenes de impulsos cuadrados separados por un retardo T3.
La lógica adicional mostrada en la figura 4 no
es la misma que la de la figura 3. En su lugar, la lógica 402
adicional implementa el retardo T3 a través de un latch 409, puertas
410 lógicas y un multiplexor 411 según se muestra. La
implementación particular de la lógica apropiada no es importante y
los expertos en la técnica podrán implementar fácilmente las
funciones lógicas apropiadas para generar un retardo T3 específico
entre señales.
En un tercer modo mostrado en la figura 5, se
ilustra el circuito equivalente establecido mediante la programación
del estado apropiado en las ubicaciones 1 y 2 del registro 102.
Como puede observarse a partir del diagrama de sincronismo de la
figura 5A, el modo tres está previsto para generar trenes de
impulsos G1 y G2 separados por un T3 retardado pero en el que los
trenes de impulsos pueden solaparse y así producirse al mismo
tiempo. Adicionalmente, los trenes de impulsos pueden tener
longitudes diferentes. En funcionamiento, se produce un impulso A1
negativo pequeño según se muestra en la figura 5A. Esto hace que el
contador 110 empiece a contar en una cantidad suficiente para
designar T1, con un impulso G1. Después de que Q3 mantenga el
retardo T3 apropiado según define el contador 104, el contador 112
contará la cantidad apropiada hasta T2, para ajustar la anchura del
impulso G2. Así, el sistema genera dos trenes de impulsos retardados
entre sí por una distancia T3, y la anchura de cada uno es
independiente del otro. Adicionalmente, el ciclo de trabajo puede
ser tanto como se requiera, incluso si es mayor del 50% del ciclo
completo de la señal de PWM.
Finalmente, en la figura 6 se ilustra el modo
cuatro del funcionamiento con el diagrama de sincronismo
correspondiente en la figura 6A. El modo 4 permite que la anchura
de G1 y G2 esté sobre el 50% de todo el ciclo de cada una de las
señales, y también permite que G1 y G2 se solapen una cantidad
ajustada por T3. Pueden generarse los cuatro posibles conjuntos de
señales necesarios para el control del balasto.
A partir de lo anterior puede apreciarse que
cualquiera de los cuatro modos generados puede generarse en un
único circuito lógico y a partir del mismo reloj y fuente de señal.
Así, el cambio del modo de funcionamiento es una simple cuestión de
programación de software.
Lo anterior describe la realización preferida de
la invención, pero diversas modificaciones serán evidentes para los
expertos en la técnica. Tales modificaciones incluyen utilizar un
sistema de circuitos diferente para la generación de las
señales.
Claims (10)
1. Aparato previsto para generar un conjunto de
señales (201) para controlar un balasto electrónico, comprendiendo
dicho aparato un registro (102) de control para aceptar múltiples
estados, cada uno de los cuales representa un modo en el que se
generan dichas señales (201), en el que dicho registro de control
está conectado a un conjunto de puertas (306) lógicas, y en el que
se utiliza el estado en dicho registro de control para configurar
las puertas lógicas para implementar uno o más de (1) un retardo
entre señales y (2) un solapamiento de señales en el tiempo.
2. Aparato según la reivindicación 1, en el que
dicho retardo es de una cantidad de tiempo programada en un
registro (106), y dicho registro está conectado a un contador (104)
para cargar un valor desde dicho registro en un contador y de este
modo determinar dicha cantidad de tiempo de dicho retardo.
3. Aparato según la reivindicación 2, en el que
dichas señales son señales moduladas por anchura de impulsos
(PWM).
4. Aparato según la reivindicación 3, que
comprende además un segundo registro (105) que almacena un valor
indicativo de una frecuencia a la que debería generarse dicha señal
de PWM.
5. Aparato según la reivindicación 4, que
comprende además un tercer registro (116) que almacena un valor
indicativo de una anchura de un impulso en dicha señal modulada por
anchura de impulsos.
6. Procedimiento para activar un balasto
electrónico que comprende proporcionar un módulo que tiene un
registro (102) de control conectado a un conjunto de puertas (306)
lógicas, generar un conjunto de señales para controlar dicho
balasto electrónico mediante las etapas de utilizar un estado en
dicho registro (102) de control para configurar dichas puertas
(306) lógicas para implementar uno o más de (1) un retardo entre
señales y (2) un solapamiento de las señales en el tiempo.
7. Procedimiento de activación de un balasto
electrónico según la reivindicación 6, que comprende además
programar un ordenador (101, 102) para determinar si dicho conjunto
de señales debería (1) retardarse en un desfase unas respecto a
otras o (2) solaparse en el tiempo unas respecto a otras.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en
el que dicha programación comprende facilitar el almacenamiento de
múltiples valores en múltiples registros (102), representando dichos
valores un retardo entre señales, una longitud de un impulso y una
frecuencia a la que generar los impulsos.
9. Procedimiento según la reivindicación 8, que
comprende además utilizar un módulo (101) lógico que lee valores a
partir de un registro (102) de control, y en respuesta a dicha
lectura, configura una o más puertas (306) lógicas incluidas en el
mismo para implementar un retardo, en caso de existir, y un desfase,
en caso de existir, en respuesta a información almacenada en dicho
registro (102) de control.
10. Procedimiento según la reivindicación 8, que
comprende además la etapa de programar un registro (102 (7))
adicional con una cantidad igual a una anchura de impulsos mínima de
una señal de PWM en caso de un error.
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