ITRM990079A1 - Sistema di alimentazione a risparmio energetico per lampade fluorescenti, a controllo elettronico. - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione avente per titolo: "Sistema di alimen-tazione a risparmio energetico per lampade fluorescenti, a con-trollo elettronico"

La presente invenzione riguarda un sistema di alimentazione a risparmio energetico per lampade fluorescenti, a controllo elettronico.

Più in particolare, la presente invenzione riguarda un sistema del tipo citato munito inoltre di protezione da sovracorrenti e sovratensioni sull'alimentazione.

Come è noto, le lampade o tubi fluorescenti del tipo a catodo caldo fin dal tempo della loro introduzione sul mercato richiedevano un induttore sul lato di rete, noto comunemente come "reattore" ed elementi di avviamento usualmente noti come "starter" per l'accensione iniziale dei filamenti a catodo caldo.

Gli starter hanno una vita relativamente limitata e provocano il fastidioso lampeggiamento al momento dell'accensione.

Inoltre, per effetto dell'alimentazione diretta a 50 Hz della rete, le comuni lampade fluorescenti forniscono luce relativamente pulsante a 100 Hz per cui il loro uso è vietato in certi ambienti quali officine meccaniche per i pericoli che possono nascere dall'effetto stroboscopico, come è ben noto agli esperti del ramo.

Sono stati effettuati tentativi per ovviare a questi inconve-nienti che hanno risolto solo in parte i problemi.

Lo scopo della presente invenzione è quello di fornire un sistema del tipo citato che consenta di ovviare agli inconvenienti rilevati nelle soluzioni della tecnica nota.

Le caratteristiche della presente invenzione sono indicate nella parte caratterizzante della rivendicazione principale e nelle rivendicazioni dipendenti.

La presente invenzione verrà ora descritta in riferimento a sue forme di realizzazione attualmente preferite, riportate a titolo illustrativo e non limitativo, in base alle figure dei disegni allegati in cui:

la Figura 1 mostra lo schema elettrico di una prima forma di realizzazione del sistema di alimentazione secondo l'invenzione; la Figura 2 mostra una seconda forma di realizzazione dello schema di Figura 1; e

la Figura 3 mostra lo schema elettrico dettagliato di un blocco circuitale mostrato nelle Figure 1 e 2.

Con riferimento alle Figure 1 e 2, il circuito è usato in unione con una struttura tipo "half bridge" utilizzando MOSFET o IGBT come elementi di commutazione. Il circuito descritto qui di seguito è finalizzato all'ottenimento di reattori elettronici più con migliori prestazioni dal punto di vista del risparmio energetico, rispetto a quelli attualmente esistenti in commercio. Il maggiore risultato che si ottiene con l'utilizzo del sistema secondo l'invenzione consiste nel risparmio energetico, difficile da ottenere oltre certi valori utilizzando i reattori elettronici oggi presenti sul mercato. Le protezioni previste all'interno del circuito proposto lo mettono in grado di operare autonomamente nei confronti di sovratensioni, sovracorrenti, sovratemperature e rimozione dei tubi fluorescenti. Le Figure 1 e 2 mostrano un circuito tipico che può essere gestito dal controllore secondo l'invenzione. I circuiti di tali figure sono praticamente uguali, per cui verrà descritto solo il circuito relativo alla Figura 1.

Il fusibile FI protegge rimpianto di illuminazione dai cortocircuiti prodotti dal reattore, in caso di malfunzionamento del reattore stesso. Cl, LI e C2 ed L2 formano un doppio filtro che evita qualunque entrata ed uscita di disturbi in varie frequenze. C3, collegato con un reattore convenzionale già installato all'interno della plafoniera contenente i tubi fluorescenti, agisce come correttore del fattore di potenza e come filtro addizionale per le basse frequenze. C4 e C5 operano come un filtro di classe Y per la alte frequenze generate dal circuito stesso.

L'alimentazione del controllore è costituita da C6, C7, C8, RI, R2 e BRI. Si tratta essenzialmente di una alimentazione reattiva capacitiva, che dissipa solamente una frazione della potenza che verrebbe dissipata da un resistore dropper. C8 smorza i picchi di 100/120 Hz.

In alternativa alla disposizione di alimentazione costituita da C6, C7, C8, RI, R2 e BRI, come sarà chiaro ad un esperto nel ramo, si può usare un prelievo di corrente tramite un partitore di tensione di tipo puramente resistivo sulla connessione dei catodi D3 e D4. In tal modo, l'intero circuito può essere alimentato oltre che dalla tensione di rete a valore nominale di 230 V in corrente alternata, anche da bus di alimentazione in corrente continua alla medesima tensione, che è spesso disponibile in impianti navali o altri impianti in corrente continua.

I diodi DI « D4 rettificano la tensione principale della sezione di potenza del reattore elettronico. I resistori R3 e R4 assicurano che la tensione di alimentazione sia esattamente uguale tra i due condensatori. Cll e C12 agiscono come limitatori di corrente per i tubi fluorescenti.

I MOSFET, Tl, T2 che sono controllati dal circuito indicato con IBI, e che verrà descritto in riferimento alla Figura 3, alimentano due circuiti risonanti composti ciascuno da un condensatore in serie ad una induttanza (L3, C13A e L4, C14A). I condensatori hanno ognuno come carico il rispettivo tubo fluorescente. Il ritorno del circuito risonante è collegato alla giunzione dei condensatori Cll e C12. Il circuito di uscita è collegato come un circuito half bridge. La frequenza preferita di lavoro, stabilita dal circuito IB1 è nell'intorno di 40 kHz.

La resistenza R5 monitorizza la corrente attraverso i MOSFET e attiva il sistema di protezione del circuito IBI, nel caso in cui un malfunzionamento causi una sovracorrente nei MOSFET Tl, T2.

Il traferro delle ferriti che costituiscono le induttanze di uscita L3, L4 assume un ruolo molto importante nella riduzione dell'energia consumata. Un traferro di 1,2 mm per il nucleo in N27 garantisce il miglior compromesso tra caduta luminosa e riscaldamento del nucleo di ferrite stesso. Gli avvolgimenti sono costituiti da un filo unico, poiché l'effetto pelle a circa 40 kHz non è troppo influente con fili di diametro inferiore a 0,6 mm. La dimensione di progetto del traferro delle bobine sarà di circa 1,2 mm.

E importante che il condensatore collegato in parallelo al tubo fluorescente FL1, FL2 sia tenuto al valore minimo possibile, per far si che passi attraverso il tubo fluorescente la massima quantità possibile di corrente. Si deve comunque tenere sempre presente che la combinazione LC dell'induttanza di uscita pone dei limiti alle dimensioni del condensatore, in quanto, più esso è piccolo, più grande dovrà essere l'induttanza di uscita. Un valore troppo elevato dell'induttanza delle bobine L3, L4 rende necessario un nucleo di ferrite di dimensioni maggiori, che non è conveniente sotto il profilo fisico ed economico, oltre al fatto che una induttanza di dimensioni maggiori riduce la corrente al tubo fluorescente, con conseguente minore emissione luminosa.

I condensatori C13A e C14A possono essere collocati all'interno dei contenitori degli starter, per lasciare invariato il cablag-gio di questa porzione del circuito.

L'uso di transistori MOSFET come sistema di commutazione, produce minori perdite nella commutazione stessa, ottenendo una maggiore efficienza. Infatti i transistori non richiedono alcun dissipatore di calore anche a potenze di 116W (2 x 58 W). La temperatura del contenitore del reattore non supera i 43°C con una temperatura ambiente di 25°C e con una alimentazione di 300V, con evidenti vantaggi sia per la struttura della plafoniera sia per i minori costi di condizionamento.

Il circuito consente di essere alimentato entro un ampio campo di voltaggi. Può agevolmente sopportare voltaggi di alimentazione tra 140 V e 380 V. Alla tensione più alta si attiva il circuito di protezione ed il reattore sarà ancora in grado di operare, una volta resettato.

Il circuito è molto più semplice di quelli attualmente in commercio, con vantaggi di produzione e realizzazione.

È possibile convertire in pochissimo tempo una plafoniera munita di sistema tradizionale in una a risparmio energetico, utilizzando questo tipo di reattore elettronico. Il cablaggio del reattore è studiato in modo tale da non richiedere ulteriori materiali di consumo all'atto della sostituzione.

L'uso di uno starter che non ha sistemi meccanici (lamina bimetallica) collegati al tubo fluorescente, rende molto semplice l'installazione e non richiede manutenzione come i sistemi tradizionali.

Con riferimento alla figura 3, verrà descritto il circuito IB1 che stabilisce i parametri di funzionamento del sistema, e verranno descritti alcuni circuiti ausiliari.

IC1, preferibilmente del tipo IR 2153 della International Rectifier, è un driver autoosciliante dell'half bridge formato dai MOSFET Tl, T2. La frequenza di esercizio è programmata dalla combinazione di R7 e C4 ed è approssimativamente data dalla seguente formula:

Una alimentazione esterna in corrente continua di 12 V @ 10 m A è necessaria e sufficiente al funzionamento del circuito integrato. Il diodo Zener ZD1 assicura che la tensione non superi il valore di 12 V. I resistori R8 e R9, collegati con i diodi ad alta velocità in parallelo, gestiscono il tempo di accensione e di spegnimento dei MOSFET Tl, T2 o degli IGBT. La soluzione secondo l'invenzione ha il vantaggio di ridurre le emissioni elettromagnetiche, riducendo il rate di cambiamento del voltaggio nel tempo del Drain. I diodi ad alta velocità assicurano che lo spegnimento abbia luogo ad una velocità superiore a quella dell· accensione. Questa configurazione aumenta il tempo morto di IC1. Il diodo D2 ed il condensatore C5 formano il circuito di bootstrapping, che provvede a fornire il voltaggio necessario alla commutazione.

Il circuito di commutazione può essere diviso in due parti: sezione di sovratensione

sezione di sovracorrente.

La protezione di sovratensione è ottenuta campionando continuamente la tensione di alimentazione usando i resistori R1 R2, R3 e R4. Il condensatore C2 filtra ogni picco presente. Se il voltaggio campionato, che è del valore che attraversa R4, supera il voltaggio di attivazione del diac SCR2 e il voltaggio di attivazione di SCR1, quest'ultimo si inserisce e la tensione al pin 1 di IC1 si riduce praticamente al potenziale di terra. Quando manca l'alimentazione a IC1, il reattore si spegne. Gli effetti dell'intervento di protezione cessano spegnendo il reattore; riaccendendolo, il reattore stesso è automaticamente resettato.

La protezione di sovracorrente è ottenuta con R5, D1, C3, R6 e SCR1. Un convertitore corrente-tensione alimenta DI con una tensione equivalente al carico istantaneo della corrente del reattore. Questa tensione è rettificata da DI. R5, ed R6 formano un divisore di potenza, che campiona la tensione attraverso il sensore di corrente. Il condensatore C3 serve da filtro di picchi ed inoltre ritarda la tensione campionata prima di arrivare al gate di SCR1. Questo assicura che il circuito non scatti al momento dell'accensione. Nel caso in cui la tensione campionata vada oltre la tensione di attivazione di SCR1, che è approssimativamente 0,7 Volt, il tiristore si attiva ed il reattore smette di funzionare, andando in protezione. Il circuito si resetta automaticamente spegnendolo ed accendendolo di nuovo.

Può essere aggiunta una protezione termica, semplicemente aggiungendo un PTC ad intervento rapido, come ad esempio il tipo TO-92, fornito dalla RS, che contiene protezioni a stato solido, tra il sistema di alimentazione a 12 Volt e la terra. Anche questo sistema di alimentazione deve avere un limitatore di corrente.

Nelle Tabelle 1 e 2 che seguono, viene riportata a titolo esemplificativo e di completezza, ma non limitativo, la distinta dei componenti impiegati nei circuiti mostrati nelle Figure 1 e 3. I componenti della Figura 2 sono facilmente ricavabili e non verranno illustrati in dettaglio.

Con la disposizione secondo la presente invenzione si ottiene un sistema di gestione del funzionamento di lampade del tipo a catodo caldo avente un rendimento energetico molto superiore a quello dei sistemi convenzionali attualmente in commercio che può arrivare anche al 40% senza penalizzazione del flusso luminoso prodotto dalle lampade fluorescenti.

La presente invenzione è stata descritta in riferimento a sue forme di realizzazione attualmente preferite, riportate a titolo illustrativo e non limitativo, e si comprenderà che potranno in pratica essere apportate varianti e modifiche da parte di un esperto nel ramo senza uscire dall'ambito di protezione della presente privativa industriale.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di alimentazione a risparmio energetico per lampade fluorescenti, a controllo elettronico, caratterizzato dal fatto di comprendere una unità di pilotaggio a transistori del tipo "halfbridge" cooperante con una sorgente di alimentazione in corrente continua sostanzialmente a tensione di rete, in cui detti transistori sono pilotati a frequenze relativamente elevate; il punto intermedio di detto half-bridge essendo collegato ad un gruppo costituito da una induttanza ed una. capacità sostanzialmente risonanti alla frequenza di pilotaggio del circuito half-bridge, ed in cui almeno una lampada è collegata in parallelo alla capacità; l'altro estremo essendo ricondotto al punto di centro di un half-bridge passivo costituito da due capacità collegate in serie.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che sono previste due coppie di induttanza e capacità per la alimentazione di una o più lampade fluorescenti contemporaneamente.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che sono disposte due capacità collegate in serie per ciascuna induttanza con una rispettiva lampada fluorescente collegata in parallelo a ciascuna delle capacità.
4. 4. Sistema secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che dette capacità sono collocate negli alloggiamenti di materiale plastico destinati a contenere gli starter convenzionali.
5. 5. Sistema secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto half-bridge a transistori comprende transistori MOSFET.
6. 6. Sistema secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il circuito di pilotaggio dei transistori MOSFET pilota i gate di detti transistori rispettivamente attraverso un gruppo costituito da un diodo in parallelo con un resistore.
7. 7. Sistema secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il circuito di pilotaggio dei transistori MOSFET è alimentato separatamente a bassa tensione con un ponte raddrizzatore alimentato dalla rete attraverso una coppia di gruppi RC in serie.
8. 8 Sistema secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che l'uscita del ponte raddrizzatore è collegata con un elemento PTC disposto per togliere pilotaggio ai transistori MOSFET in caso di innalzamento eccessivo della temperatura.
9. 9. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che il circuito di pilotaggio dei transistori MOSFET è alimentato separatamente a bassa tensione tramite un partitore di tensione di tipo resistivo dalla sorgente di alimentazione in corrente continua sostanzialmente a tensione di alimentazione di rete destinata ad alimentare detto half-bridge.
10. 10. Sistema secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il circuito di pilotaggio comprende un elemento costituito da un SCR pilotato attraverso un DIAC disposto per togliere pilotaggio ai transistori MOSFET in caso di sovratensione di rete.
11. 11. Sistema secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che viene disposto in serie tra l'uscita di un filtro antidisturbo e il ramo dell'alternata del ponte raddrizzatore di alimentazione del circuito un reattore convenzionale del tipo già installato all’interno di una plafoniera contenente il o i tubi fluorescenti, operante come correttore del fattore di potenza e come filtro addizionale per le basse frequenze.
12. 12. Sistema secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la disposizione è tale per cui si ha un ripristino automatico a seguito di esclusione della alimentazione generale in corrente alternata.
13. 13. Sistema secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il circuito di pilotaggio comprende un circuito di pilotaggio del tipo IR 2153 prodotto dalla International Rectifier o equivalenti.
14. 14. Sistema secondo una qualsiasi delle precedenti rivendica zioni e sostanzialmente come descritto e illustrato nelle figure dei disegni allegati.