BALASTRA DE ARRANQUE INSTANTÁNEO DE 4 LÁMPARAS DE ALTA EFICIENCIA
Campo de la Invención La presente invención está relacionada generalmente con el campo de las balastras para lámparas de descarga de gas. Más particularmente, la presente invención se relaciona con el desarrollo de una balastra de arranque instantáneo, resonante en serie, y altamente rentable, que usa un solo inversor en semipuente para excitar múltiples circuitos de salida de resonancia en serie, los cuales a su vez excitan múltiples lámparas de descarga de gas.
Antecedentes de la Invención Peter Shackle, Quinghong Yu, Barrie Drew, y Jonh Jay Dernovsek han inventado una nueva y útil Balastra de arranque instantáneo de 4 lámparas de alta eficiencia. Referencia a solicitudes relacionadas: Esta solicitud es una solicitud de utilidad no provisional la cual reivindica beneficio de la solicitud de patente de los Estados Unidos de América co-pendiente con número de serie 60/526,641 presentada el 3 de diciembre del 2003 intitulada "balastra de arranque instantáneo de 4 lámparas de alta eficiencia" la cual es incorporada aquí como referencia. Declaración con respecto a la investigación o al desarrollo patrocinado con fondos federales: No aplica. Referencia a la secuencia de listado de secuencias o al programa computacional de la lista del apéndice: No aplica. Una balastra electrónica para una lámpara de descarga de alta intensidad o fluorescente, de descarga de gas provee la corriente, el voltaje y las condiciones de forma de onda requeridas para hacer funcionar la lámpara. Una balastra de inicio instantáneo es una balastra que está diseñada para encender instantáneamente una lámpara de descarga de gas tal como una lámpara fluorescente mediante la aplicación de un alto voltaje a través de la lámpara sin precalentamiento del cátodo. Las balastras de inicio instantáneo de la técnica anterior, como las mostradas en la patente de los Estados Unidos de América no. 5,925,990 han estado en uso por algún tiempo. En estas balastras de inicio instantáneo de la técnica anterior, ha sido necesario proveer un voltaje de salida relativamente alto para encender las lámparas de descarga de gas. Adicionalmente, el alto voltaje de salida necesita ser mantenido por un periodo de tiempo extendido, por lo general en el rango de milisegundos, en un valor bien controlado y constante para encender las lámparas. En el caso de la balastra de la patente número 5,925,990, el alto voltaje de salida inicial es detectado mediante la colocación de un resistor en serie con un condensador de resonancia. El voltaje de inicio es limitado por lo general por un bucle de retroalimentación rápido y detectado por amplitud mediante su rectificado con un diodo, alisándolo con un condensador, y aplicándolo a un nodo de detección de un microprocesador. Se han diseñado balastras de lámparas múltiples que proveen energía a dos o más lámparas de descarga. Estas balastras de lámparas múltiples están configuradas para proveer a cada una de las lámparas conectadas a las balastras la corriente y el voltaje de operación correctos. Por ejemplo, la configuración de balastras de inicio instantáneo descritas anteriormente ha sido adaptada para su uso con una balastra de cuatro lámparas como se estableció en el circuito de la técnica anterior mostrado en la Figura 1. En tal circuito, una balastra sencilla 2 excita esencialmente a dos etapas de salida 4 y 6 completas de la especie descrita previamente con anterioridad, con cada etapa de salida 4 y 6 proveyendo terminales de salida 8 y 10 para dos lámparas respectivas. Un transistor 12 es usado para invertir la señal procedente del microprocesador 3 para una de las etapas de salida 4 y 6. La inversión de la señal para una de las etapas de salida 4 y 6 reduce la tensión esfuerzo de corriente en rizo en los condensadores volumétricos 14 y 16 causando que las dos etapas de salida 4 y 6 funcionen fuera de fase. Este sistema de la técnica anterior trabaja pero tiene la desventaja de ser relativamente caro. El gasto agregado es un resultado de la necesidad de usar dos excitadores de semipuente 18 y 20 y cuatro FETS de salidas 22, 24, 26 y 28, conjuntamente con dos circuitos de limitación de voltaje 30 y 32. El número aumentado de componentes usados en tal circuito de la técnica anterior también disminuye la confiabilidad del circuito. Las lámparas T5 de salida relativamente alta están reemplazando gradualmente a las lámparas T8 más viejas en aplicaciones del uso de estas en techos de oficinas. La manera más eficiente de excitar estas lámparas es usando tecnología de inicio instantáneo. Sin embargo, debido al alto voltaje de la lámpara y a la alta corriente de estas lámparas, los circuitos de inicio instantáneo, resonantes paralelos, convencionales, para ellas son muy ineficientes y caros de producir. Para la más alta eficiencia se prefiere a las balastras directamente acopladas y resonantes en serie. Sin embargo, estos tipos de balastras tienen problemas en cumplir con los requerimientos de los UL en cuanto a fugas de lámpara. En vista de las deficiencias descritas anteriormente en la técnica anterior, lo que se necesita es un método eficiente y más efectivo en cuanto a costos, así como un circuito para la implementación de una balastra de cuatro lámparas, de inicio instantáneo, que utilice menores componentes que las balastras de la técnica anterior.
Compendio y Objetivos de la Invención Una modalidad preferida de la presente invención está dirigida a una balastra electrónica de inicio instantáneo para encender y excitar cuatro lámparas de descarga de gas. La balastra electrónica incluye un par de terminales de entrada de energía para recibir un voltaje de fuente de poder. Un circuito inversor sencillo recibe el voltaje de fuente de poder y produce un voltaje AC de salida. El circuito inversor es más preferiblemente un inversor de semipuente que incluye un par de MOSFETs conectados en serie que tienen un punto de conexión común que provee un voltaje AC a cada uno de los dos circuitos de salida de resonancia en serie. Los dos circuitos de salida de resonancia en serie reciben cada uno la el voltaje AC de salida procedente del circuito inversor sencillo y provee un voltaje de excitación a un par de terminales de lámpara de descarga de gas asociadas con cada circuito de salida de resonancia. Más preferiblemente, cada uno de los dos circuitos de salida de resonancia está configurado para excitar cuando menos dos lámparas de descarga de gas. Cada circuito de salida resonante también incluye un condensador. Un circuito de microprocesador conectado al circuito inversor y los dos circuitos de salida de resonancia monitorean un voltaje a través del condensador en cada uno de los circuitos de salida resonantes y genera señales de control del inversor que causan que el circuito inversor intente encender las lámparas conectadas a los circuitos de salida de resonancia solo cuando los voltajes monitoreados a través del condensador indican que las lámparas están conectadas a los circuitos de salida resonantes. Un resistor que también está incluido recibe y combina una señal de voltaje de salida de cada uno de los dos circuitos de salida resonantes. La señal combinada es usada para controlar un valor de voltaje de salida de la balastra electrónica. Alternativamente, el resistor puede ser reemplazado con un par de resistores conectados en paralelo. Aún otra modalidad de la presente invención está dirigida hacia un método para excitar una pluralidad de lámparas de descarga de gas. De acuerdo con el método, un voltaje de suministro de energía de entrada es recibido procedente de un circuito de fuente de poder con un circuito inversor sencillo que es preferiblemente un inversor de semipuente. Un voltaje de salida AC es producido con el circuito inversor sencillo. El voltaje de salida AC generado por el circuito inversor sencillo es proveído a cuando menos dos circuitos de salida resonantes en donde cada uno de los circuitos de salida resonantes respectivos produce un voltaje de salida de la lámpara sobre cuando menos un par de terminales de salida de la lámpara. Cada circuito de salida resonante incluye preferiblemente cuando menos un condensador y se monitorea un voltaje a través de cada uno del cuando menos un condensador. Una señal de encendido no es producida en las terminales de salida de la lámpara a menos que un voltaje sea detectado a través de ambos condensadores que indican que una lámpara de descarga de gas está conectada a cada una de las terminales de salida de la lámpara de los circuitos de salida resonantes. Una señal de voltaje de salida de cada uno de los dos circuitos de salida resonante es combinada y la señal de salida de voltaje combinada es usada para controlar el valor de voltaje de salida AC para las terminales de salida de la lámpara. Aun otra modalidad de la presente invención está dirigida a una balastra de inicio instantáneo para excitar una pluralidad de lámparas de descarga de gas. LA balastra de inicio instantáneo incluye un circuito inversor para producir una señal AC a partir de una señal DC recibida. Un primer circuito de tanque de resonancia recibe la señal AC del circuito inversor y produce un primer voltaje de salida. Un segundo circuito de tanque de resonancia recibe la señal AC procedente del circuito inversor y produce un segundo voltaje de salida. Los circuitos de tanque de resonancia primero y segundo incluyen, cada uno, una conexión en serie de un inductor de tanque y un condensador de tanque. Un resistor combina el primero y el segundo voltaje de salida y un microprocesador es usado para monitorear el voltaje combinado y controlar el primer voltaje de salida y el segundo voltaje de salida basado en el voltaje monitoreado. Cada circuito de tanque resonante también incluye preferiblemente un condensador de tanque en donde un voltaje a través de cada condensador de tanque es monitoreado para determinar si una lámpara está conectada a la salida tanto del primer circuito de resonancia de tanque como del segundo circuito de resonancia de tanque. Una señal de encendido es producida por la balastra solo si el voltaje monitoreado indica que una lámpara está conectada tanto al primero como al segundo circuito de resonancia de tanque. Cada circuito de tanque de resonancia está configurado preferiblemente para excitar cuando menos dos lámparas de descarga de gas.
Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 es un esquema de una balastra de cuatro lámparas de inicio instantáneo, de la técnica anterior. La Figura 2 es un esquema de una modalidad preferida de la presente invención para la excitación de cuatro lámparas de descarga de gas; y La Figura 3 es un diagrama de flujo de un método preferido para excitar una lámpara de descarga de gas de acuerdo con la presente invención.
Descripción detallada de la invención La presente invención supera las deficiencias antes mencionadas en la técnica anterior al proveer una balastra de inicio instantáneo para excitar múltiples luces de descarga de gas que tienen menos componentes y, de este modo, es menos caro y más fiable que los diseños de la técnica anterior. Más particularmente, una modalidad preferida de la presente invención para poner en práctica una balastra de cuatro lámparas de inicio instantáneo es mostrada en la Figura 2. La balastra recibe un voltaje de entrada DC en la línea 40 con un inversor sencillo de semipuente 42. Típicamente el voltaje DC será recibido desde un rectificador de puente que ha rectificado una señal de energía AC estándar. El voltaje DC en la línea 40 es proveído a un inversor en semipuente sencillo 42 que convierte el voltaje DC en un voltaje AC de frecuencia relativamente alta. El inversor sencillo en semipuente 42 incluye un par de MOSFETs conectados en serie 44 y 46 que tienen sus compuertas conectadas a un excitador 48 de motor de circuito integrado a través de una conexión paralela de un resistor 50 y un diodo 52. La terminal común 54 de los MOSFETS 44 y 46 es usada para excitar un par de tanques de resonancia en serie 56 y 58, como se muestra en la Figura 2, en donde cada uno de los tanques resonantes en serie 56 y 58 está compuesto por un respectivo inductor 60 o 62 y un condensador 64 o 66. De este modo el inversor en semipuente 42 excita tanto el tanque de resonancia 56 que incluye un inductor 60 y un condensador 64. como el tanque de resonancia 58 que incluye al inductor 62 y al condensador 66. Como se discutió previamente, la eliminación de la necesidad de dos inversores en semipuente es muy benéfica en que disminuye el costo del circuito mientras aumenta simultáneamente su confiabilidad mediante la reducción del número de componentes de circuito requeridos para poner a la balastra en práctica. Un circuito que limita al voltaje de salida para la balastra de la presente invención es construido a partir de resistores, primero 68 y segundo 70, conectados en paralelo que excitan un transistor de limitación de voltaje 72. El voltaje a través de los resistores 68 y 70 es proveído a un pin de detección del microprocesador 74 y a la base del transistor 72 de limitación de voltaje. El voltaje a través de los resistores primero 68 y segundo 70 es monitoreado por el microprocesador 74 para determinar si las lámparas están o no instaladas en los cuatro enchufes 76, 78, 80 y 82. El transistor 72 funciona para controlar el voltaje de salida proveído a las lámparas 76, 78, 80 y 82 mediante la disminución del voltaje proveído al excitador 48 de circuito integrado en respuesta a un voltaje de salida detectado. Al combinar los voltajes de salida de los circuitos de salida resonantes en serie 56 y 58 la modalidad de la Figura 2 elimina la necesidad de dos circuitos de control de voltaje tales como los usados en los circuitos de la técnica anterior de la Figura 1. A primera vista, podría parecer que si uno de los circuitos de salida resonante en serie 56 o 58 estuviese produciendo un alto voltaje de salida, el circuito de limitación de voltaje causaría que el transistor 72 disminuyera el voltaje de salida en tal grado que el otro circuito de salida de resonancia 56 o 58 fuese impedido para que produzca un voltaje de ignición. Sin embargo, siempre y cuando el limite de voltaje de salida sea mantenido mucho más alto (pico de 2000V vs. pico de 1200V) que el voltaje requerido para encender las lámparas, esta reducción del voltaje de salida no evitará que las lámparas 76, 78, 80 y 82 se enciendan y, de este modo, no planteara un problema importante. En una modalidad alternativa, los resistores 68 y 70 en el circuito de la Figura 2 están reemplazados con un resistor en serie y un condensador el cual reduce significativamente la disipación de energía que pudiese aparecer en los resistores 68 y 70.
La presencia de la lámpara 76, 78, 80 y 82 es detectada con una prueba de fuga a través de la lámpara en donde el voltaje en los condensadores 84 y 86 es monitoreado separadamente en dos pines del microprocesador 74. La primera balastra genera un impulso muy corto (800 usecs) de alto voltaje. Si las lámparas 76, 78, 80 y 82 están instaladas, entonces alguna carga se detectará en los condensadores 84 y 86. Solo si la carga es detectada en ambos condensadores 84 y 86 el microprocesador 74 procederá con la secuencia de ignición. De esta forma, la balastra no extingue alguna señal potencialmente peligrosa a menos de que ya haya sido previamente determinado que las lámparas 76,78, 80 y 82 están sujetadas apropiadamente a sus respectivos dispositivos. Esto asegura que el ensamble de la balastra cumple con los requerimientos de los UL de fuga a través de la lámpara. La modalidad preferida del circuito de la presente invención como se establece en la Figura 2 difiere significativamente del circuito de la técnica anterior de la Figura 1 en que solo un inversor en semipuente 42 es usado para ambos circuitos de resonancia 56 y 58 en lugar de que cada circuito de resonancia 56 y 58 tenga su propio inversor asociado en semipuente 42. Además, como se describió anteriormente, otra nueva característica de la modalidad preferida de la presente invención es el monitoreo de los dos condensadores inversores en semipuente 84 y 86 de los dos tanques de resonancia 56 y 58 que salen del inversor en semipuente sencillo 42. La secuencia de ignición para las lámparas de descarga de gas76, 78, 80 y 82 no es llevada a cabo a menos de que las señales de prueba aplicadas a las salidas de los circuitos de resonancia 56 y 58 han producido una carga en ambos de los condensadores en semipuente 84 y 86. Si ninguna carga está presente en los condensadores 84 y 86, se puede inferir que cuando menos una lámpara 76, 78, 80 y 82 no ha sido instalada de manera apropiada en su dispositivo asociado. El monitorear la carga en los condensadores 84 y 86 permite que la balastra asegure que todas las lámparas de descarga de gas 76,78, 80 y 82 están presentes antes de llevar a cabo la secuencia de encendido. Esto es importante ya que la secuencia de encendido frecuentemente implica la producción de voltajes altos potencialmente peligrosos. Una segunda nueva característica de la presente invención es la combinación de las señales de voltaje de salida de los dos circuitos de salida 56 y 58 o canales con una resistencia sencilla, lo cual se provee en la modalidad de la Figura 2 por resistores conectados en paralelo 68 y 70, y el uso de esta señal combinada para controlar el voltaje de salida del sistema. Esto elimina la necesidad de dos circuitos de monitoreo de voltaje y, de este modo, se disminuyen además los costos y aumenta la confiabilidad de la balastra de lámpara de descarga de gas. Refiriéndonos ahora a la Figura 3, se muestra un método preferido para excitar una pluralidad de lámparas de descarga de gas de acuerdo con una modalidad de la presente invención. El método comienza en el paso 100 con la recepción de un voltaje de fuente de energía de entrada procedente de un circuito de fuente de energía con un circuito inversor sencillo. Un voltaje de salida AC es entonces producido con el circuito inversor sencillo en el paso 102. En el paso 104 del método preferido, el voltaje de salida AC generado por el circuito inversor sencillo es proveído a cuando menos dos circuitos de salida resonantes. Preferiblemente, cada uno de los respectivos circuitos de salida resonantes produce un voltaje de salida de lámpara en cuando menos un par de terminales de salida de la lámpara. El inversor es preferiblemente un inversor en semipuente y los circuitos de salida de resonancia son preferiblemente circuitos de salida de resonancia en serie. En el paso 106, un voltaje a través de un condensador asociado con cada circuito de salida resonante es monitoreado y, en el paso 108, una señal de encendido no es producida en las terminales de salida de la lámpara a menos que el voltaje monitoreado indique que una lámpara de descarga de gas está conectada a cada una de las terminales de salida de la lámpara de los circuitos de salida de resonancia. Una señal de voltaje de salida procedente de cada uno de los dos circuitos de salida de resonancia es combinado en el paso 110 y la señal de salida del voltaje combinado es usada para controlar el valor del voltaje de salida AC para las terminales de salida de la lámpara en el paso 112. Como se describe detalladamente en lo precedente, el uso de un inversor sencillo y el monitoreo del voltaje de salida combinado disminuye el número de componentes de circuito requeridos para implementar una balastra de inicio instantáneo para un dispositivo de múltiples lámpara de descarga de gas. De este modo, el método preferido para poner en práctica a la presente invención disminuye el costo de poner en práctica esta balastra mientras aumenta su confiabilidad. Aunque han sido descritas las modalidades particulares de la presente invención de una nueva y útil balastra de inicio instantáneo de cuatro lámparas de alta eficiencia, no se pretende que tales referencias sean interpretadas como limitaciones sobre el alcance de la presente invención excepto como se establece en las siguientes reivindicaciones.