ITFI20000082A1 - Economico ed efficace soppressore di armoniche di corrente per alimentatori elettronici di lampade fluorescenti di tipo compatto - Google Patents

Description

Tìtolo: " Economico ed efficace soppressore delle armoniche di corrente per alimentatori elettronici di lampade fluorescenti compatte. "

DESCRIZIONE

1. Campo tecnico

Il campo applicativo è quello illuminotecnico dei fabbricanti di lampade ed in particolare della fabbricazione di lampade fluorescenti compatte e relativi alimentatori elettronici.

2. Scopo del trovato.

Il circuito elettronico trovato consente di realizzare uno stadio soppressore di armoniche da anteporre all’alimentatore elettronico tradizionale di lampade fluorescenti, costituito da pochi componenti di costo irrisorio inseribili in uno zoccolo di ridotte dimensioni quale quello delle lampade “ compatte” e quindi di poter immettere sul mercato questa tipologia di lampade, anche per potenze superiori a 25W.

Infatti la norma europea EN 61000-3-2 prescrive una soglia di potenza di 25W al di sopra della quale le lampade devono assorbire dalla rete di alimentazione una corrente con bassissima immissione di armoniche, il ché significa un’onda di corrente quasi sinusoidale. Le norme forniscono una tabella con i limiti delle armoniche da rispettare sia per potenze minori di 25 W che maggiori.

I limiti imposti oltre 25W sono molto severi e raggiungibili fino ad ora con circuiti elettronici ingombranti, impieganti un chip integrato relativamente costoso e quindi applicabili solo agli alimentatori per lampade fluorescenti di tipo “ lineare “ in cui lo spazio ed il costo lo permettono.

Nelle lampade fluorescenti “ compatte ” lo spazio per il circuito elettronico da inserire entro lo zoccolo è estremamente ridotto ed il costo deve essere contenuto al massimo. Quindi non è possibile adottare lo stesso metodo delle lineari nelle lampade compatte.

Il modo trovato risolve questo problema e fornisce un semplice e poco costoso circuito elettronico inseribile nello zoccolo delle lampade compatte ed adatto particolarmente per potenze superiori a 25W.

Il principio consiste nello sfruttare una tensione “ di servizio “ già generata dallo stesso alimentatore elettronico tradizionale anziché produrla appositamente con un costoso chip integrato.

Questa tensione viene sfruttata nel trovato per pilotare, con prelievo non intrusivo, un pre-stadio convertitore tipo " boost "che rende prossima ad una sinusoide la corrente assorbita dalla rete di alimentazione.

Essenzialmente si ottiene un circuito semplice e composto da componenti di prezzo irrisorio, tuttavia in grado di fornire prestazioni che soddisfano le norme sopra menzionate.

La notevole conseguenza pratica che ne deriva è quella di poter immettere sul mercato lampade fluorescenti compatte anche di potenze superiori a 25W e quindi in grado di generare un flusso luminoso straordinario per una sorgente compatta, già dotata di per sé di alto risparmio energetico.

A titolo di esempio sono state realizzate lampade compatte da 30W in grado di fornire dopo 100 ore di funzionamento un flusso luminoso di 2000 lumen uguale a quello ottenibile da una buona lampada ad incandescenza da 150W ! 3 . Stato attuale della tecnica

Per quanto esposto precedentemente, l’introduzione del correttore del fattore di potenza attualmente è possibile, oltre che obbligatorio, solo negli alimentatori per lampade fluorescenti lineari, ma fino ad oggi non per quelle compatte.

Le Case produttrici di lampade fluorescenti compatte, non presentano nei loro cataloghi lampade di potenza superiore a 25 W per l’impossibilità di inserire un economico e poco ingombrante correttore del fattore di potenza in uno spazio limitato quale quello interno allo zoccolo di dette lampade.

Per quanto è stato possibile indagare, sono già stati studiati sistemi economici su questo argomento, i quali però risolvono il problema solo per basse potenze, dove in pratica non sarebbero necessari .

L'obiettivo cercato invece viene ampiamente raggiunto col metodo esposto, particolarmente adatto per potenze oltre 25W.

4. Descrizione dettagliata del metodo trovato

4.1 Situazione attuale

I soppressori di armoniche tradizionali, come noto, sono dei correttori del fattore di potenza ottenuti anteponendo al circuito dell'alimentatore un convertitore di tipo flyback , di solito in versione " boost ".

In esso la ricarica del grosso condensatore di livellamento Co, posto dopo il ponte raddrizzatore viene effettuata un gran numero di volte entro ogni semiperiodo di tensione, invece di una sola volta in corrispondenza dei picchi della tensione. Infatti sono proprio queste richieste impulsive di corrente che determinano le armoniche.

Per caricare continuamente Co, anche quando la sinusoide di tensione è più bassa della tensione continua Vo presente ai capi di esso, occorre generare una tensione suppletiva che si somma a quella di ingresso Vin, in modo che la tensione totale superi sempre Vo.

La tensione suppletiva si ottiene da una induttanza L1 posta in serie dopo il ponte raddrizzatore , che viene collegata a massa tramite un interruttore (fig.1). Finché l’interruttore rimane chiuso, una corrente fluisce attraverso L1 che si carica di energia magnetica.

Quando rinterruttore si apre, L1 scarica l’energia magnetica accumulata creando una tensione di autoinduzione di verso opposto che si somma a quella d’ingresso ed è di ampiezza tale da superare sempre la tensione continua Vo. Quindi, tutte le volte che rinterruttore si apre, il diodo DI entra in conduzione ed una corrente proveniente da L1 ricarica Co.

Il tempo di chiusura dell’ interruttore, ton , è imposto dal comando deH'interruttore elettronico.

Il tempo t0ff di scarica dipende dalla corrente massima raggiunta durante ton , dalla induttanza L1 e dalla differenza tra la tensione continua livella Vo e l’ampiezza della tensione di ingresso.

Nei correttori del fattore di potenza tradizionali l’interruttore viene comandato da un apposito microchip che modula i tempi di chiusura in modo da mantenere la tensione di uscita sempre costante e la corrente di ingresso di forma il più possibile sinusoidale.

4.2 Innovazione trovata

Nel modo trovato invece si parte dal concetto che l’alimentatore della lampada già produce una tensione che può essere utilmente impiegata per pilotare Γ interruttore e correggere ugualmente il fattore di potenza, anche se non si ottiene la stabilizzazione della tensione di uscita al variare del carico. Ma poiché il carico è sempre lo stesso, la Vo rimane stabile.

La tensione pilota impiegata è quella stessa che comanda la commutazione dei due transistori impiegati nell’alimentatore tradizionale per generare. la corrente di lampada ed ha l'andamento riportato nella ( fig.2 ).

Come si può osservare, la forma è di per sé molto ripida ed in grado di pilotare un interruttore elettronico.

Inoltre, affinché il prelievo di questo segnale pilota sia non intrusivo, cioè non perturbante il regolare funzionamento dell’ alimentatore, viene impiegato come interruttore un transistore MOSFET che come noto è pilotato in tensione senza assorbimento di corrente. ( fig.3 )

La tensione alternata pilota ha una frequenza generalmente intorno a 40 KHz e quindi comanda la ricarica di Co 400 volte in un periodo ( il periodo delle semionde è 100 Hz ).

Il condensatore di ingresso di basso valore, filtra la componente a 40 KHz e la corrente assorbita in ingresso diventa sinusoidale.

La corrente che attraversa l’interruttore Mosfet sale quasi linearmente partendo da zero, essendo limitata da LI, e raggiunge un massimo ” Ipk “ .

Quando l’interruttore si apre, l’induttanza è percorsa da una corrente che , attraverso DI ricarica Co, ed ha andamento lineare decrescente fino a raggiungere lo zero. ( fig. 4 )

Il valore massimo raggiunto dalla corrente Ipk, non è fisso, ma varia seguendo un andamento sinusoidale durante ogni semionda. ( fig.5 )

Il fattore di potenza raggiungibile con questo circuito, per mantenere il valore di Ipk sufficientemente basso affinché il Mosfet non debba dissipare eccessivo calore, è circa 0,95 ancora non sufficiente per contenere le armoniche di corrente al di sotto dei valori imposti dalle norme europee.

Il motivo è dovuto alla insufficienza della tensione di autoinduzione prodotta da L1 quando la tensione di entrata Vin è prossima allo zero e conseguentemente la corrente di carica di Co si interrompe.

Occorre introdurre una modifica che consiste nel “ modulare l’intervento del correttore del fattore di potenza in modo da contenerne Γ effetto quando la tensione di ogni semionda è massima ed esaltarlo quando è minima.

Ciò si ottiene sfruttando la forma triangolare della tensione pilota. Infatti la tensione di gate Vg che porta il Mosfet in conduzione si aggira su 3,5 - 4 V . Se si sposta verso l’alto o verso il basso la tensione triangolare pilota, si intercetta la soglia di gate del Mosfet per un tempo maggiore o minore, modulando così l’ampiezza della corrente entro ogni semionda con l’effetto di migliorare il fattore di potenza. ( fig.6 )

La tensione modulante deve essere negativa, massima quando la semionda è massima in modo da ridurre t™, e minima quando la semionda è prossima allo zero in modo che ton sia massimo .

Poiché Ipk = ( ton x Vm ) / LI , aumentando ton si aumenta la corrente e con essa la tensione suppletiva di autoinduzione Vs = L1 di / dt .

La tensione modulante si ottiene raddrizzando la tensione ottenuta da un avvolgimento secondario su L1. ( fig.7 )

II trasformatore di reazione contenuto nell'alimentatore di solito è avvolto su nucleo toroidale di ferrite che viene portato alla saturazione dalla corrente di lampada che attraversa l'avvolgimento primario.

Purtroppo l'induzione massima di saturazione Bsat di questi materiali dipende significativamente dalla temperatura per cui l'ampiezza della tensione pilota ne subisce l'influenza e con l'aumento della temperatura entro lo zoccolo della lampada, provoca la riduzione di Vo. Di conseguenza, con l'aumento della temperatura decresce la potenza assorbita dalla lampada.

Per compensare in maniera economica ma efficace la deriva della potenza, è stato necessario impiegare un PTC ( positive temperature coefficient resistor ) il quale, all'aumentare della temperatura, aumenta la sua resistenza e riduce la tensione modulante. Questa riduzione aumenta il tempo ton e con esso la Vo, che , a sua volta, aumenta la potenza assorbita dalla lampada creando un effetto stabilizzante. ( fig.8 )

Resta infine da sottolineare che questo sistema economico di realizzare un soppressore di armoniche permette anche di ottenere una tensione continua Vo ( tensione di rail ) definibile a piacere scegliendo opportunamente i valori dei componenti, e di disporre di un valore sufficientemente elevato, non più limitato a quello di picco della tensione di ingresso e quindi tale da poter alimentare proprio le lampade di maggior potenza.

Questo aspetto non è stato ritrovato nei soppressori di armoniche economici che è stato possibile esaminare, e che quindi non risultano adatti per le potenze maggiori.

Più precisamente, la tensione continua ottenibile da una rete a 220 Veff è 220x 1,41 = 310 V. Le lampade di maggior potenza sono realizzate con una maggior lunghezza complessiva del tubo fluorescente, e quindi necessitano di una tensione di lampada maggiore. Ad es. una lampada da 30 W necessita di una tensione di ampiezza circa 200V. Poiché la tensioneVo deve essere il doppio dell'ampiezza della tensione di lampada, essa dovrà essere 400V.

Questa elevata tensione è ottenibile grazie al convertitore di tipo boost come quello adottato, che ha la caratteristica di elevare la tensione di ingresso.

Ricapitolando, da quanto esposto si capisce che oltre l'idea di economizzare sfruttando risorse già fornite dal circuito tradizionale dello stesso alimentatore per realizzare uno stadio soppressore di armoniche, anche il modo di impiegare questa tensione pilota è tuttavia importante per raggiungere un funzionamento efficace in grado di superare le Norme sulle armoniche e costituisce il secondo aspetto delle rivendiche.

Il modo escogitato fornisce i seguenti risultati:

• Il pilotaggio dello stadio soppressore avviene con prelievo non intrusivo, e quindi non perturba minimamente il funzionamento della lampada.

• Sfrutta in modo originale la particolare forma triangolare di questa tensione pilota, per graduare durante ogni semionda della tensione di rete, lintervento di riduzione delle armoniche, in modo da ottimizzarne l’efficacia.

• Genera una tensione continua ( tensione di rail ) superiore a quella ottenibile da un circuito tradizionale, il ché rende il metodo trovato particolarmente adatto per lampade di potenza maggiore, cioè proprio nel campo di potenze che interessano.

• Infine è dotato di un sistema economico per stabilizzare la potenza della lampada in funzione della deriva termica.

5. Esempio definitivo di applicazione industriale.

In figura 9 è riportato uno schema elettrico applicativo relativo ad un alimentatore per lampada fluorescente compatta da 30 W, dotato di uno stadio soppressore di armoniche utilizzante il metodo trovato.

Lo schema fornito è senz'altro sufficiente agli esperti del settore quale dimostrazione di applicazione industriale.

Occorre precisare che questo schema ovviamente rappresenta solo un esempio di come può essere realizzato il trovato, e non va considerato come limitativo dello stesso. Si leggano al riguardo le rivendicazione n. 6.

6. Descrizione delle figure

Fig.1 Schema base rappresentante un convertitore tipo " boost ".

Fig.2 Andamento della tensione pilota prelevata dal trasformatore di reazione dell'alimentatore.

Fig.3 Schema di pilotaggio non intrusivo.

Fig.4 Corrente che percorre l’induttanza LI.

Fig.5 Distribuzione della corrente di fìg.4 entro un semiperiodo.

Fig.6 Modulazione della tensione pilota.

Fig.7 Sistema per aumentare il fattore di potenza.

Fig.8 Stabilizzazione della potenza della lampada.

Fig.9 Esempio completo di applicazione.

Claims (1)

1. 7. Rivendicazioni 1) L’idea di utilizzare efficacemente, per potenze oltre 25 W, risorse già presentì negli alimentatori tradizionali di lampade fluorescenti compatte al fine di pilotare un soppressore di armoniche in maniera economica e limitata nell’ingombro, 2) Il sistema di comando del soppressore, come da rivendicazione 1, ottenuto sfruttando direttamente o indirettamente la tensione di reazione deH’oscillatore dell’alimentatore tradizionale. 3) Il sistema di esaltare l'efficacia del soppressore, come da rivendicazione 1 e 2, che sfrutta la forma triangolare della tensione pilota per modulare il tempo di chiusura dell' interruttore elettronico. 4) Il sistema di esaltare l'efficacia del soppressore di cui a rivendicazioni 1,2,3 che sfrutta con prelievo diretto od indiretto, la tensione alternata di ingresso. 5) Il sistema economico di stabilizzazione della potenza della lampada, tramite un PTC, in un soppressore come da rivendicazioni precedenti. 6) Variazioni del valore o del tipo dei componenti, diversa disposizione circuitale degli stessi, ed altri mutamenti che tuttavia conservano i principi del metodo trovato di cui a rivendicazioni precedenti, anche se riprodotte parzialmente e non solo complessivamente. 7) L'impiego di un sistema che utilizza un tipo di interruttore elettronico diverso da quello impiegato, quale un transistore, un IGBT, un SCR ecc. nella realizzazione di un soppressore di armoniche basato sui principi del modo trovato e come da rivendicazioni precedenti.