BALASTRA ELECTRÓNICA CON CONTROL DE VOLTAJE DE CIRCUITO ABIERTO Y COMPENSACIÓN EN CABLE
Campo de la Invención La invención se refiere a una balastra electrónica para el encendido y energización de una lámpara de descarga de gas conectada entre un par de terminales de salida.
Antecedentes de la Invención Nosotros, Qinghong Yu, Christopher Radzinski, Peter Shackle y Jonh Jay
Dernovsek hemos inventado un nuevo y útil mecanismo y un procedimiento para "Balastra electrónica con control de voltaje de circuito abierto y compensación de cable". Referencias a solicitudes relacionadas: esta solicitud es una solicitud de utilidad no provisional que reivindica el beneficio de la solicitud de patente co-pendiente de los Estados Unidos de América con número de serie 60/526,638, presentada el 3 de diciembre del 2003 y que se intitulada "Micro regulador de alto voltaje de entrada basado en balastra de inicio instantáneo" la cual es incorporada a la presente como una referencia. Declaración con respecto a la investigación o al desarrollo patrocinado federalmente: No aplica. Referencia al apéndice que proporciona la lista del listado de secuencias o el programa computacional: No aplica. Un problema con las balastras electrónicas de la técnica anterior es que el voltaje de circuito abierto de una balastra de arranque instantáneo necesita ser controlado cuando no hay una lámpara conectada a la balastra. Desafortunadamente, los métodos de la técnica anterior para proveer este control de voltaje de circuito abierto causan variaciones sustanciales en el voltaje de circuito abierto cuando se usa en conjunto con diferentes longitudes del cable, o requieren de un condensador resonante de alto valor, lo cual resulta en un alta circulación de corriente. Una alta circulación de corriente no es deseable ya que aumenta las perdidas de conducción en las balastras y puede resultar en la ocurrencia de un cambio de modo capacitivo durante los transitorios de encendido. Por lo tanto, se necesita un mecanismo y un procedimiento mejorado para controlar el voltaje de circuito abierto de una balastra electrónica de alto voltaje de entrada. En algunas balastras de la técnica anterior, el voltaje en un resistor de detección del voltaje de una lámpara es usado para controlar el voltaje de circuito abierto durante el encendido cuando ninguna lámpara está conectada. Para lograr esto, el ancho del pulso del cambio del semipuente es típicamente controlado. El controlar el ancho de impulso controla el voltaje de circuito abierto indirectamente mediante el uso de corriente inductora para controlar el voltaje en el condensador. Como resultado, con frecuencia resultan grandes variaciones de voltaje de circuito abierto cuando conexiones externas al accesorio, tales como un cable de conexión, agregan mayor capacitancia. En implementaciones de balastra que permiten usar un condensador resonante grande y un inductor pequeño, el problema de variación de voltaje del circuito abierto generalmente no es importante. Sin embargo, con frecuencia se observan fuertes cambios potencialmente dañinos o cambios de modo capacitivo con este tipo balastras controladas por voltaje de circuito abierto, de la técnica anterior. Adicionalmente, el uso de un condensador resonante grande hace difícil que el tanque de resonancia sea diseñado. Como resultado, estos tipos de balastras sufren de más perdidas de conducción y/o alteraciones fuertes durante el encendido de la lámpara, que lo que sucede con las balastras típicas. Las perdidas por conducción y los cambios fuertes son indeseables ya que estos pueden causar que la balastra falle. Un condensador resonante grande, con un voltaje de encendido de dos lámparas a través éste, acumula una cantidad importante de energía. Cuando el intento de encendido ocurre cuando no hay una carga, la energía de encendido es transferida al inductor de resonancia y puede saturar al inductor. El resultado es la indeseable ocurrencia de un cambio fuerte durante el encendido. Aun cuando un MOSFET puede sobrevivir a los transitorios de alta tensión en balastras con un voltaje volumétrico de 460V, es indeseable el cambio severo y deberá ser evitado si es posible. Además, para algunos tipos de balastras, es críticamente importante evitar los cambios severos debido a su particular susceptibilidad al daño debido a los transitorios. De este modo, en muchas de las balastras de la técnica anterior, el valor del condensador de resonancia es minimizado y se utiliza un circuito de compensación de cable para controlar el voltaje de circuito abierto de forma tal que sea sustancialmente constante cuando se acopla a varias longitudes de cable que tienen varias cantidades de capacitancia. Sin embargo, estos circuitos son por lo general muy complejos y, de este modo, disminuyen la eficiencia de la balastra mientras aumenta su costo. Por lo tanto, se necesita un mecanismo y un procedimiento mejorados para controlar el voltaje de circuito abierto de una balastra y para compensar los efectos de cualesquiera cables que estén anexados.
Compendio de la Invención Una modalidad preferida de la presente invención está dirigida hacia una balastra electrónica para encender y energizar una lámpara de descarga de gas conectada entre un par de terminales de salida. La balastra incluye un microcontrolador para controlar la balastra y un inversor que tiene un primer transistor y un segundo transistor. Un circuito snubber reduce las perdidas de encendido-apagado en el primer transistor así como en el segundo transistor. El circuito snubber comprende un par de condensadores snubber conectados en serie conectados en paralelo con el primer transistor y el segundo transistor. Un tanque de resonancia que tiene un tanque inductor conectado en serie con un condensador tanque está incluido. Un condensador de muestreo está conectado en serie con el condensador de tanque. Un circuito de muestreo de voltaje monitorea el voltaje de salida mediante el monitoreo de un voltaje en el condensador de muestreo. Un resistor de control de voltaje está conectado en serie con el condensador de muestreo. Un circuito de control de voltaje de salida detecta un voltaje a través del resistor de control del voltaje y proporciona el voltaje detectado al microcontrolador. El circuito de control del voltaje de salida incluye un transistor y la compuerta del transistor está conectada eléctricamente entre el condensador de muestreo y el resistor de control de voltaje por medio de un resistor. El circuito lógico controla un voltaje de salida en las terminales de salida sobre la base del voltaje detectado. El circuito lógico controla el voltaje de salida mediante el ajuste fino de esta señal de compuerta para cuando menos uno de los transistores ya sea el primero o el segundo. Un circuito de compensación de cable limita variaciones en el voltaje de salida debidas a los cables que están siendo conectados a las terminales de salida de la balastra. El circuito de compensación de cable incluye medios para muestrear un voltaje a través del condensador de muestreo y para controlar la señal de compuerta para cuando menos uno de los transistores, primero y segundo, sobre la base de esto.
Otra modalidad de la invención está dirigida hacia una balastra electrónica para proveer energía a una lámpara de descarga de gas. La balastra incluye un microcontrolador para controlar la balastra electrónica. También está incluido un circuito inversor que tiene un primer transistor y un segundo transistor y un circuito tanque resonante que tiene un inductor tanque conectado en serie con un condensador tanque. Un circuito de muestreo de voltaje muestrea un voltaje de salida de la balastra electrónica y comunica al voltaje muestreado al microcontrolador. El circuito de muestreo de voltaje incluye un condensador de muestreo conectado en serie con el condensador de tanque. El circuito de muestreo de voltaje también incluye preferiblemente un circuito resistivo y capacitivo para filtrar el voltaje muestreado antes de proveer el voltaje muestreado al microcontrolador. Un circuito de control del voltaje de salida limita al voltaje de salida mediante la producción de una señal de ajuste fino de compuerta que es usada por la lógica de compuerta para controlar uno de los transistores ya sea el primero o el segundo. El circuito de control del voltaje de salida incluye un resistor conectado en serie con el condensador de muestreo en donde un voltaje a través del resistor es usado para encender y apagar un transistor de control. Un circuito de compensación de cable limita las variaciones en el voltaje de salida causadas por la conexión de un cable a las terminales de salida. El circuito de compensación de cable limita al voltaje de salida mediante la disminución del ancho de pulso de señal de compuerta para cuando menos uno de los transistores primero y segundo. Aún otra modalidad de la presente invención está dirigida hacia una balastra electrónica para producir un voltaje de salida en un par de terminales de salida para energizar una lámpara de descarga de gas. La balastra incluye un microcontrolador para controlar la balastra electrónica. Un circuito inversor de semipuente que tiene un par de transistores y un circuito de tanque resonante que tiene un condensador de tanque están incluidos en la balastra. Un circuito de muestreo del voltaje de salida monitorea el voltaje de salida mediante el monitoreo de un voltaje a través del condensador de muestreo conectado en serie con el condensador de tanque. El circuito de muestreo del voltaje de salida incluye un circuito resistivo y capacitivo para filtrar al voltaje muestreado antes de proveer el voltaje muestreado al microcontrolador. Un circuito de control del voltaje de salida que tiene un resistor de control conectado en serie con el condensador de muestreo limita el voltaje de salida sobre la base de un voltaje en el resistor de control. El circuito de control del voltaje de salida además incluye un transistor de control en donde un voltaje que existe a través del resistor de control es usado para encender y apagar el transistor de control. Un divisor de voltaje resistivo está conectado a la compuerta del transistor de control. El transistor de control causa que el circuito lógico haga un ajuste fino de una señal de compuerta para cuando menos uno de los transistores ya sea el primero o el segundo sobre la base del monitoreo del transistor de control. La circuitería de compensación compensa las variaciones en el voltaje de salida debido a un cable capacitivo que está siendo conectado a las terminales de salida. La circuitería de compensación de cable incluye medios para alterar una señal de compuerta de cuando menos uno de los transistores ya sea primero o segundo.
Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 es un diagrama esquemático de una balastra electrónica que tiene un circuito de muestreo de voltaje sin perdidas y un circuito de control de voltaje de circuito abierto de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención; y La Figura 2 es un diagrama esquemático de la balastra electrónica de la Figura 1 que tiene un circuito de compensación de cable de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención.
Descripción Detallada de la Invención Una modalidad preferida de la presente invención está dirigida a una balastra electrónica de inicio instantáneo para una lámpara de descarga de gas que supera las deficiencias antes mencionadas de la técnica anterior. Refiriéndonos ahora a la Figura 1, se muestra una balastra electrónica 2 que provee un control de voltaje de circuito abierto sustancialmente sin perdidas de acuerdo con la modalidad preferida de la presente invención. La balastra electrónica 2 incluye una fuente 6 de voltaje de corriente directa volumétrica que provee energía a los transistores 8 y 10 del circuito inversor, cada uno de los cuales está preferiblemente conectado en paralelo con un condensador snubber respectivo 12 y 14. El tanque resonante en serie de la balastra electrónica comprende un inductor de tanque resonante 16 y un condensador de tanque resonante 18. Los circuitos de la técnica anterior usan un resistor conectado en serie con el condensador resonante 18 para detectar el voltaje 4 de la lámpara y controlar el voltaje 4 de circuito abierto cuando ninguna lámpara está instalada. Sin embargo, en una modalidad preferida de la presente invención para una balastra IHRV y/o balastra señal, el voltaje 4 de lámpara es detectado por un condensador de muestreo 20 que está conectado en serie con el condensador de resonancia 18 como se muestra en la Figura 1. Usando el principio de la división de voltaje con condensadores, cuando el condensador de muestreo 20 es mucho más pequeño que el condensador de resonancia 18, la caída de voltaje en el condensador de muestreo 20 es muy grande en comparación con el voltaje en el condensador de resonancia 18 y viceversa. Esto es benéfico porque es relativamente fácil encontrar un condensador de película 20 que satisfaga estos criterios, tenga un tamaño de empaque pequeño y no sea caro. Además, la creación de una gran caída de voltaje a través del condensador 20 provee un amplio rango de voltaje para el muestreo de voltaje de forma tal que puede utilizarse el rango completo del convertidor A/D de un microcontrolador 11. Más preferiblemente, el condensador 20 es un condensador de 60V y 330nF o un condensador de 60V y 680 nF. Se utiliza un circuito de muestreo que comprende los condensadores 24 y 26 y de los resistores 28 y 30 para filtrar y acondicionar la señal del voltaje muestreado proveniente del condensador 20 para ser procesada por el microcontrolador 11. El circuito de muestreo de la Figura 1 provee una baja señal de impedancia, un fuerte señal con una excelente señal para la relación de ruido y un rápido tiempo de respuesta a la entrada del convertidor A D del microcontrolador asociado 11. Más importantemente, puesto que el muestreo es llevado a cabo a través del condensador 20, el proceso de muestreo es sustancialmente sin perdidas y no disminuye de manera importante la eficiencia de la balastra 2. De este modo, el circuito de la Figura 1 usa una división de voltaje basada en el condensador sin perdidas para mejorar la eficiencia de la balastra 2 sin sacrificar su desempeño. El condensador de muestreo 20 usado en la balastra de la Figura 1 está conectado en serie con un resistor de bajo valor 32, el cual es usado para controlar el voltaje 4 de circuito abierto. La balastra electrónica 2 muestrea una versión de gran amplitud del voltaje 4 de lámpara a través del condensador 20. La señal muestreada es alisada por filtros RC construidos partir de los condensadores 24 y 26 y los resistores 28 y 30 y después es alimentada al convertidor A/D del microcontrolador 11. El tiempo de respuesta del voltaje 4 de la lámpara muestreada no es rápido, pero es muy ventajoso ya que es sin perdidas.
Para el control de voltaje 4 de circuito abierto, la amplitud del voltaje a través del resistor 32 es suficientemente grande cuando la balastra 2 se prende para encender el transistor 36 y así producir una señal que puede ser usada por la lógica 7 de compuerta 7 para realizar un ajuste fino del ancho de pulso de la señal de compuerta producida por el excitador 9 de semipuente para el interruptor superior 8 del inversor de semipuente. El ajuste fino de la señal de compuerta del interruptor superior 8 del inversor de semipuente disminuye el voltaje 4 de circuito abierto producido por la balastra 2. El valor exacto al cual el ajuste fino de la señal de compuerta ocurrirá es determinado por el valor de los resistores 38 y 40, los cuales controlan el encendido y el apagado del transistor 36. Más preferiblemente los resistores 38 y 40 tienen ambos un valor de 1 kQ. El ajuste fino del ancho del pulso de la señal de compuerta del interruptor superior 8 limita el voltaje 4 de circuito abierto. Durante la operación en estado estacionario, el voltaje en el resistor 32 es muy pequeño, fuera de fase con el voltaje en el condensador 20, y aún proporcional al voltaje 4 de lámpara. De aquí que, la detección del voltaje de la lámpara no es afectada por el resistor 32 cuando la balastra 2 está trabajando en el estado estacionario. El circuito de muestreo descrito anteriormente con respecto a la Figura 1 puede ser usado independientemente con o sin un circuito de compensación de cable. Debido a que el voltaje en el resistor 32 está en fase con la corriente del interruptor superior 8, es conveniente usar el voltaje en el resistor 32 para controlar el voltaje 4 de circuito abierto cuando ninguna lámpara está conectada y para realizar un ajuste fino del ancho del impulso del interruptor superior 8 del semipuente como se describió anteriormente. Sin embargo, cuando un cable largo es conectado a las terminales de voltaje 4 de salida de la balastra 2 y la capacitancia del cable está esencialmente en paralelo con el condensador de resonancia 18, cambian los parámetros del tanque de resonancia construido a partir del inductor 16 y el condensador 18. Como resultado, el voltaje 4 de circuito abierto disminuye cuando un cable está conectado a la balastra 2. Cuando el valor del condensador de resonancia 18 es pequeño, la disminución en el voltaje 4 de circuito abierto es significante y la balastra 2 no encenderá la lámpara. El voltaje 4 de circuito abierto puede establecerse en alto para arrancar una lámpara con un cable largo. Sin embargo, en aplicaciones en donde ningún cable está unido, el voltaje 4 de circuito abierto 4 será entonces demasiado elevado, lo cual puede causar que la balastra falle en la prueba de fugas a través de la lámpara, o dañen al condensador de película 20. Al aumentar la capacitancia del condensador de resonancia 18 se ayuda a disminuir la variación del voltaje 4 de circuito abierto pero aumentan las perdidas por conducción debido a las corrientes de circulación en el condensador de resonancia 18. Además, los valores de condensador más grandes conducen a la saturación del inductor de resonancia 16. Por lo tanto, las modalidades más preferidas de la presente invención incluyen un circuito de compensación de cable. Un circuito de compensación de cable se crea mediante la adición de un diodo zener 44, resistores 42 y 46, y un condensador 48 como se establece en la Figura 2. El voltaje 4 de circuito abierto como se muestrea por el condensador 20 aumenta muy rápidamente en el nodo 50. Cuando el voltaje 4 de circuito abierto se vuelve demasiado alto, el diodo zener 44 comienza a conducir y alimentar corriente a la base del transistor 36 de forma tal que el umbral conductor para el transistor 36 disminuye. De este modo, el transistor 36 comienza a encenderse más temprano cuando el voltaje en el resistor 32 es más bajo. El ancho de pulso de la señal de compuerta del interruptor superior 8 es entonces ajusta finamente de forma tal que el pulso se vuelve más angosto, de este modo reduciendo el voltaje 4 de circuito abierto. De este modo, el verdadero voltaje 4 de circuito abierto es detectado de este modo para cambiar el umbral de la corriente requerido para apagar el interruptor superior 8 del inversor de semipuente. En un circuito ejemplar construido como se describe anteriormente, el voltaje 4 de circuito abierto varia de 1.9 kv a 2.6 kv sin el circuito de compensación de cable de la Figura 2 cuando el cable de 18 pies es conectado a/o retirado del circuito. Sin embargo, con el circuito de compensación de cable de la Figura 2, la variación en el voltaje 4 de circuito abierto está dentro de aproximadamente los 100V. De este modo, una balastra electrónica que tiene un circuito de muestreo de voltaje sin perdidas y un circuito de control, así como un circuito de compensación de cable acuerdo con la modalidad preferida de la presente invención como se muestra en la Figura 2 representa una mejora sustancial sobre la técnica anterior. ' De este modo, aunque se han descrito modalidades particulares de la presente invención de una nueva y útil "Balastra electrónica con control de voltaje de circuito abierto y compensación de cable", no se tiene la intención de que tales referencias se interpreten como limitaciones del alcance de esta invención excepto por lo que se establece en las siguientes reivindicaciones.