S.E.P. S.E.1.T D.G.1.T CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y … · 2020. 7. 7. · 4.1 Banco de...

S.E.P. S.E.1.T D.G.1.T

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO

c e n i d e t “ANÁLISIS DE TOPOLOGíAS RESONANTES PARA SU APLICACIÓN EN SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN PARA LÁMPARAS DE ALTA

INTENSIDAD DE DESCARGA”

T E S I S

PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIAS

EN INGENIERíA ELECTRÓNICA P R E S E N T A :

ING. ESTEBAN RODRíGUEZ VELA

DIRECTORES DE TESIS: DR. MARIO PONCE SILVA DR. JAIME ARAU ROFFIEL

CUERNAVACA, MOR. DICIEMBRE 1999

i.i 0 0 - O 7 9 8

S.E.P. S.E.1.T v

S .N LT

ENTRO NACIONAL DE INVESTIGACI~N Y DESARROLLO T E C N O L ~ G I C O ceiiidei

ACADEMIA DE LA MAESTRIA EN ELECTRÓNICA

FOKhlA R11 ACEPTACION DEL TRABAJO DE TESIS

‘Cuernavaca, Mor.

Dr. Juan Manuel Ricaiío Castillo Director del cenidet Presente

Jefe del Depio. de EiecirOiiica Al’ii. Dr. Jainie E. Arau Kol‘licl

Después de haber revisado el trabajo de tesis titulado: “Análisis d e Topologías resonantes para su apiicacióii en sistemas d e alimentación p a r a lámparas de alta intensidad d e descarga”, ciaborado por el aiiiiiiiio

Esteban Kodríguez Vela, bajo la dirección del Dr. Mario Ponce Silva y co-dircccih del I>r. Jainic AWU’ Roffiel, el trabajo presentado se ACEPTA para proceder a su impresión.

A T E N T A M E N T E + Dra. María Co rogea Pfeifer L Dr. Carlos A p i l a r Castillo

-4%. c-g. Dr. Victor Manuel Cárdenas Galindo

C.C.P.: DI. Abraham Claudio Sánchez I Pdie. de la Acadeniia de Electrónica Iiig. Jaime Kosas Alvarez / Jefe del Dcpto. de Servicios Ilscolares Expediente.

.!

INTERIOR INTERNADO PALMIRA S/N, CUERNAVACA.,MOR, MEXICO AP 5-164 CP 62050, CUERNAVACA. TELS. (73112 2314.12 7613.18 7741. FAX (73) 12 2434 Dr. Jaime Arau RoffieliJefe de! Depto de Electr6nica EMAIL iarau~cenidel.edu.ml. cenidet

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Cuernavaca, Morelos

Ing. Esteban Rodríguez Vela Candidato al grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería Electrónica Presente

Después de haber sometido a revisión su trabajo final de tesis titulado: ‘“ANALISIS DE TOPOLOGIAS RESONANTES PARA SU APLICACIÓN EN SISTEMAS DE .ALIMENTACIÓN PARA LÁMPARAS DE ALTA INTENSIDAD DE DESCARGA”, y habiendo cumplido con todas las indicaciones que el jurado revisor de tesis le hizo, le comunico que se le concede autorización para que proceda a la impresión de la misma, como requisito para la obtención del grado.

Reciba un cordial saludo.

C.C.P. expediente

INTERIOR INTERNADO PALMIRA S/N. CUERNAVACA. MOR. MeXICO AP 5-164 CP 62050. UERNAVACA. TELS. (73)122314. 12 & 13. 187741. FAX (73) 122434 Or. Jaime Arou RoffielIJefe del Depio de Electr6nica EMAIL jarau@cenldel,edu,m I cenídet

verme.

A todos mis hermanos: Chucho, Augusto, tantas alegrías y tristezas.

A mis sobrinitos, Erick, Vanny, Ana, la hagan todo lo que yo no pude hacer. A mis sobrinos de Morelos, Tello, Cnsty,

A Mary, con quien he descubierto lo hen todos los sueños que creí imposible.

I

Daniel, Félix y Julián, con quienes he vivido

'oyis y al Güero, de quienes espero, tengan y

demo y Lizbeth.

ioso que es la vida y con quien deseo realizar

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a todas las personas con las que he compartido parte de mi vida.

A la Secretaría de Educación Pública (SEP), al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), y al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (cenidet), por.darme la oportunidad y el apoyo económico para realizar mis estudios de Maestría.

A los amigos que me apoyaron a venir al cenidet (lalo y vic).

A mi hermano Daniel, por apoyarme en los primeros meses de mi estancia. A mis hermanos y cuñadas que permanecieron con mi madre, acompañándola.

A todos mis compañeros de generación,: Iván, Juan, Victor, Alán, Antonio, Marcos, Sinuhé, Aguayo, Armando, Carla y Nancy. (“la grandota, el chélement, la gordis, el espectrito, el crujo, pazitos., el charro, el jojutlo, el gelas, la galleta y nancinuhé”).

AI grupo de los “zorros”, con quienes pasamos tantos momentos agradables que permanecerán por siempre en la memoria. A “Samanna” y su música, que alegrome la vida mientras estuve en Cuernavaca.

A toda la generación de “ los patos”, así como a los mecánicos y computólogos con quienes compartí estos años en el cenidet de forma más amena.

Al “Jhonson “ y sus torneos de futbol, que me mantuvieron en forma y a todos los equipos que participaron en los torneos.

A los compañeros de cuarto, con los que tuve una bonita convivencia: Vicente P. (“el pescado”) , Benjamín R. (“ el ángulo”) y a los otros “qÚe huyeron”.

A doña Georgina y su familia, quienes siempre me trataron como de la familia, y me hicieron sentir como en casa.

A Mario Ponce por haberme “soportado tanto” durante la tesis. AI Dr. Arau por tener siempre una visión objetiva, por comprender la posición de los alumnos, por apoyamos y abrir puertas cuando éstas se hallaban cerradas. Por tratar de hacer escuchar a los “sordos”.

A don Abraham y doña Beinarda, por recibirme en su casa como a un hijo y bnndanne su amor de familia, así también a Guillermo y a Lety.

TABLA DE CONTENIDO

SIMBOLOGÍA

CAPíTULO 1. LámDaras de Alta Intensidad de Descarga

1.1 Principios generales de la descarga en gas 1.1.1 Tipos de descarga

1.1.1.1 Descarga a baja presión 1.1.1.2 Descarga a alta presión

1.2 El proceso de encendido de las lámparas de descarga 1.2.1 Mecanismos de rupturas 1.2.2 Desarrollo temporal de la ruptura 1.2.3 Transición luminiscencia-arco

1.3 Lámparas de alta intensidad de descarga 1.3.1 Lámparas de vapor de mercurio

1.3.1.1 Principio básico de funcionamiento 1.3.1.2 Elementos constructivos 1.3.1.3 Características de encendido 1.3.1.4 Características eléctricas

1.3.2.1 Principios básicos de funcionamiento 1.3.2.2 Elementos constructivos 1.3.2.3 Características de encendido 1.3.2.4 Características eléctricas Lámparas de vapor de sodio 1.3.3.1 Principio básico de funcionamiento 1.3.3.2 Elementos constructivos 1.3.3.3 Características de encendido 1.3.3.4 Características eléctricas

1.3.4 Resumen de las lámparas de HID

1.3.2 Lámparas de halogenuros metálicos

1.3.3

1.4 Operación en alta frecuencia 1.5 Resonancias Acústicas

1.5.1 Definición 1.5.2 1.5.3

Problemas ocasionados por las resonancias acústicas Soluciones al problema de las resonancias acústicas

iv

vii

1 3 3 4 4 7 9 9

10 10 10 11 12 12 13 13 14 14 15 15 15 16 17 18 18 20 21 21 22 22

CAPíTULO 2. Balastros Dara LámDaras de Descarga

2.1 Generalidades sobre balastros 2.1.1 Función del balastro 2.1.2 Circuitos de alimentación tradicionales 2.1.3 Circuitos de encendido

2.1.3.1 Arrancador en paralelo 2.1.3.2 Arrancador semiparalelo y serie

2.2 Balastros electrónicos 2.2.1 Inversores de alta frecuencia

2.2.1.1 Amplificador clase D 2.2.1.2 Inversor medio puente 2.2.1.3 Inversor puente completo 2.2.1.4 Inversor Push-pull 2.2.1.5 Resumen de caractensticas

2.2.2.1 Requisitos que debe de cumplir un tanque

2.2.2.2 Análisis de las combinaciones de los elementos

2.2.2 Tanques resonantes

resonante

de tanques resonantes

CAPÍTULO 3. Análisis v Diseño de los Tanaues Resonantes

3.1 Tanque resonante LCC 3.1.1 Análisis matemático del tanque resonante LCC 3.1.2 Procedimiento de diseño del tanque resonante LCC

3.1.2.1 Diseño de un tanque resonante LCC para una

3.1.2.2 Simulación del tanque resonante LCC

Análisis matemático del tanque resonante LCC con ZCS Procedimiento de diseño del tanque resonante LCC con

3.2.2.1 Diseño de un tanque LCC con ZCS para una

3.2.2.2 Simulación del tanque resonante LCC con ZCS

Análisis inatemático del tanque resonante IIC Procedimiento de diseño del tanque resonante IIC 3.3.2.1 Diseño de un tanque resonante IIC para una

3.3.2.2 Simulación del tanque resonante IIC

lámpara de 35W

3.2 Análisis del tanque resonante LCC con ZCS 3.2.1 3.2.2

zcs lámpara de 70W

3.3 Análisis del tanque resonante IIC 3.3.1 3.3.2

lámpara de 35 W

25 25 26 28 29 29 30 31 32 33 34 34 35 36

36

37

40 41 45

45 46 47 47

48

49 50 51 51 55

56 56

11

Tabla de contenido

CAPíTULO 4. Simulaciones y Resultados Experimentales

4.1 Banco de pruebas de lámparas de descarga 4.2 Diseño de un balastro electrónico para una lámpara de

halogenuros metálicos de 35W 4.2.1

4.3 Solución a las resonancias acústicas 4.3.1 Método de modulación en frecuencia 4.3.2 Método de cambio a una frecuencia de no resonancia

4.4 Resumen de los tanques resonantes 4.5 Diseño de un balastro electrónico con ZCS

4.5.1 Balastro electrónico con ZCS para una lámpara de 70W 4.6 Circuito de protecciones

4.6.1 Diseño del circuito de protecciones 4.6.1.1 Implementación del circuito de protecciones 4.6.1.2 Resultados experimentales del circuito de

Diseño de un balastro electrónico para una lámpara de 70W

protecciones 4.7 Formas de onda de voltajes y corrientes durante el estado de

preencendido 4.7.1 4.7.2 4.7.3 Corrientes de encendido

Voltajes de encendido con lámpara Voltajes de encendido sin lámpara

4.8 Versión final del balastro

CAP~TULO 5. Conclusiones

5.1 Aportaciones 5.1.1 Del trabajo 5.1.2 Del inversor de alta frecuencia 5.1.3 Del tanque resonante 5.1.4 Del circuito de control

5.2 Recomendaciones para trabajos futuros 5.3 Otros logros

ANEXOS

REFERENCIAS

BIBLIOGRAFÍA

59

61

64 66 66 67 68 69 70 74 74 76

78 79 80 84 86

89 89 90 90 91 91 92

93

98

99

... 111

. .

A

SIMBOLOGÍA

A B Ar

C

CD

cm

CP c s

c v

CWA

D

E F HID . Hz

I

IIC

I L

IRL K KhZ

kV

1

lm

ImiW

Ls

Constantes que dependen del tipo de gas utilizado

Argón

Capacitor

Comente directa

Centímetro

Presión constante

Condensador sene

Volumen constante

Constant Wattage Autotransformer (reactancia autorreguladora)

Ciclo de trabajo

Intensidad del campo eléctrico

Frecuencia de conmutación

High intensity Discharge (alta intensidad de descarga)

Hertz

Comente

Inversor de irnpedancias capacitivas

Comente en la bobina

Comente en la carga

Constante dada por la relación Cp/Cv

Kilohertz

kilovoltios longitud

Lumen

lumen por watts

inductor sene

Simbologia

M mA min

M,, mV

N

Ne

nm P

P Pa

PL

Pmax

Ptlli" Po

Pv

Q Qmm

Req

RL

RP T

Toff

Ton

us

W V

Vlmm

v1 vb

vcc

Ganancia

Miliampere

Minutos

Ganancia máxima

Milivolts

Relación de vueitas del transformador

NeÓn

Nanómetro

Potencia

Presión

Pascal

Potencia en a lámpara

Potencia máxima

Potencia mínima

Presión del gas a la temperatura

Energía entregada por unidad de volumen

Factor de calidad del filtro

Factor de calidad mínimo

Resistencia equivalente

Resistencia de carga

Resistencia parásita

Temperatura

Tiempo de no conducción

Tiempo de conducción

Microsegundos

Ultravioleta

Voltios

Voltios por milímetros

Voltaje fundamental aplicado al tanque resonante

Tensión necesaria para la ruptura de corriente

Voltaje de ali.mentaciÓn

Y

Simbología

Venc

V

VI, v o

V,, w Wlcm

WAC

Xce

Xcel

XCP XCS

Xe

XL

zcs V@)

a

Y¡

n r COS e

Voltaje de encendido de la lámpara

Voltaje de entrada

Voltaje en la lámpara

Voltaje de salida

Voltaje rms Watts

Watts por centímetros

Frecuencia de resonancia acústica a la cual la presión y potencia se

encuentran en fase

Reactancia del condensador equivalente

Reactancia del condensador equivalente uno

Reactancia del condensador Cp

Reactancia del condensador Cs

Xenón

Rectancia del inductor

Zero conmutation switching (conmutación a comente cero)

Eficiencia luminosa espectral

Coeficiente de ionización de Towncend

Coeficiente de emisión de electrones secundarios del cátodo por ion

bombardeado

ohms Coeficiente de amortiguamiento

Factor de potencia

vi

Introducción

Actualmente la alimentación de lámparas de descarga por medio de sistemas de alimentación conmutados, tiene un auge considerable, no en vano aproximadamente el 25 % de la energía consumida en el mundo está destinada a los sistemas de iluminación.

Por otra parte, el campo de la iluminación requiere de equipos más eficientes, que permitan un ahorro en el consumo de energía eléctrica, y una disminución en el tamaño de los equipos.

En la actualidad los principales objetivos de investigación se enfocan fundamentalmente en dos áreas: el conocimiento más profundo de los fenómenos de descarga que se producen en el interior de la lámpara, teniendo como principal objetivo una vida más larga de la misma, y por otro lado la búsqueda de circuitos de alimentación (topologias) que mejoren la eficiencia de la conversión energía eléctrica-luz.

Por su parte, las lámparas de alta intensidad de descarga (“High Intensity Discharge” HID), las cuales presentan considerables ventajas sobre las tradicionales lámparas incandescentes y/o fluorescentes como son: una excelente reproducción de color de los objetos iluminados, una amplia gama de potencia disponible, tamaño reducido, una alta eficiencia, y sobre todo un tiempo de vida mucho mayor que cualquier otro tipo de lámpara, las hace sumamente atractiva para su empleo en diferentes campos de aplicaciones. Sin embargo, estas ventajas se ven empañadas debido a la necesidad de utilizar un dispositivo que limite la comente en la lámpara, en virtud de que presentan la característica de voltaje-corriente negativa. Además, de necesitar un alto voltaje para lograr el encendido de este tipo de lámparas.

En el presente trabajo de investigación, se pretende realizar un estudio de diferentes topologías inversoras resonantes, con el fin de analizar la problemática asociada al desarrollo de un balastro electrónico para lámparas de alta intensidad de descarga, ya que este tipo de balastros elimina todas las desventajas que presenta un balastro electromagnético, como son: el tener un peso y volumen considerable, parpadeo, ruido o

zumbido. Además, cuando las lámparas de descarga se alimentan en alta frecuencia, aumenta la eficiencia luminosa de las mismas.

Para lograr este objetivo general, se han propuestos como objetivos particulares el realizar un análisis de las diferentes topologías inversoras de alta frecuencia con el fin de seleccionar una que sea adecuada para el manejo de lámparas de alta intensidad de descarga. Además, se deberá de analizar las diferentes estructuras de circuitos tanques resonantes, con el fin de seleccionar uno que proporcione una adecuada limitación de comente en la lámpara, y a su vez, sea capaz de proporcionar un voltaje elevado para poder lograr el encendido de la lámpara. El circuito tanque resonante deberá aparte de contar con el menor número de elementos posibles.

Para llevar a cabo tal efecto, el presente trabajo lo hemos dividido en cinco capítulos, cuyo contenido es el siguiente:

En el capítulo 1, se abordan los conceptos básicos sobre lámparas de descarga, se analiza el proceso de la descarga en gas y se presenta una breve descripción de los principales tipos de lámparas de alta intensidad de descarga, además, se mencionan en forma breve las principales características de las lámparas de alta intensidad de descarga. Por otra parte, en este capítulo se dedica una atención especial a la operación en alta frecuencia, incluyendo el problema de las resonancias acústicas.

A su vez, en el capítulo 2, se describen las principales características de los balastros electrónicos, así como los circuitos tradicionales de alimentación para lámparas de descarga, además de algunos circuitos de encendido típicos. En este capitulo se presentan las partes principales de un balastro electrónico, así como los diferentes tipos de inversores resonantes, y se realiza un análisis de las combinaciones de los elementos de los tanques resonantes.

En el capítulo 3, se presenta el análisis y diseño de los tanques resonantes seleccionados como adecuados para el manejo de lámparas de alta intensidad de descarga. Se presenta en forma completa el análisis matemático realizado, así como los resultados de simulación de dichos tanques resonante, además del análisis matemático efectuado para tratar de conseguir conmutación a comente cero, y los resultados obtenidos en simulación para los diseños de dichos análisis.

Por su parte en el capítulo 4, se presentan diseños de balastros electrónicos para lámparas de alta intensidad de descarga de diferentes potencias, así como los resultados obtenidos tanto de simulación como experimentales, con los cuales se avalan los diferentes análisis matemáticos efectuados en los tanques resonantes. Se presentan además, los resultados de las diferentes estrategias utilizadas para afiontar el fenómeno de las resonancias acústicas, y al final se selecciona un balastro electrónico libre del fenómeno de las resonancias acústicas. Dicho balastro cuenta con un circuito de protecciones para el caso de no' existencia de lámpara, o bien para prevenir el reencendido en caliente de la lámpara, lo cual provocaría el daño del balastro. Finalmente en el capítulo 5, se presentan las conclusiones generales de este trabajo de investigación, así como las recomendaciones para trabajos futuros. En primer lugar se

... VI11

Introducción

presentan las conclusiones generales sobre las diversas etapas de los balastros electrónicos desarrollado durante este trabajo. Además, de las recomendaciones para trabajos futuros de investigación dentro del área de la iluminación electrónica que pueden dar continuidad a este trabajo.

i X

Capítulo 1

LámDaras de Alta Intensidad de Descarpa

En este capítulo. se presentan algunos conceptos básicos sobre lámparas de descarga, se analizo el proceso de la descarga en gas debido a su influencia en el encendido y estabilización de la lámpara. Se da una breve descripción de los principales tipos de lámparas de alta intensidad de descarga. además. se mencionan en .forma breve las principales características Jsicas y eléctricas de las Iárnparas de alta intensidad de descarga. Y se dedica una atención especial a la operación en alta frecuencia, incluyendo el problema de las resonancias acústicas.

1.1 PRINCIPIOS GENERALES DE LA DESCARGA EN GAS

El aspecto más importante de una lámpara de descarga en gas es sin lugar a duda, la propia descarga; ya que en ella la energía eléctrica es transformada en radiación electromagnética, de la cual una parte considerable está formada por longitudes de onda que caen dentro del espectro visible (380-780 nm) del ojo humano. La descarga del gas se produce en un tubo de descarga, constituido de material traslúcido o transparente, llenado con un gas inerte y un vapor metálico, en cuyos extremos se disponen dos electrodos. La función de los electrodos es emitir electrones que serán acelerados por el campo eléctrico existente entre los mismos. Dichos electrones pueden tener colisiones con los átomos y moléculas del gas, que pueden ser de dos tipos: elásticas e inelásticas. Las primeras producen calor y por lo tanto aumento de temperatura en los átomos del gas, en las segundas se produce una excitación o ionización de los átomos de gas, estos átomos excitados generan radiación electromagnética.

La concentración de electrones en el gas se incrementa debido a la ionización. La velocidad de los electrones en la descarga varía en función de la longitud del camino libre medio de estas partículas, lo que depende entre otros factores, de la densidad del

Lámparas de Alta Intensidad de Descarga Capítulo 1

gas y de la intensidad del campo eléctrico en la descarga. De la velocidad del electrón depende su energía cinética, y por lo tanto la energía que puede suministrar a los átomos o moléculas en un choque. En la descarga del gas intervienen tres procesos básicos [I]:

1. Generación de calor. Es el caso de colisiones elásticas entre un electrón y un átomo de gas. Debido a la ley de colisiones entre masas diferentes una pequeña parte de la energía cinética del electrón es transferida al átomo de gas. Como se produce una gran cantidad de colisiones, tiene lugar una considerable transferencia de energía, que provoca un incremento de la temperatura del gas.

2. Excitación de átomos de gas y moléculas. La velocidad de un electrón puede ser tan elevada que al chocar con un átomo desprende un electrón de su órbita más alejada. Este electrón absorbe mucha energía del electrón libre y por lo tanto se coloca en un nivel de energía superior. La fuerza de atracción electrostática del núcleo atrae al electrón hacia la órbita original, y la energía absorbida en la colisión es liberada en forma de radiación electromagnética. Como los electrones solo pueden moverse en ciertas órbitas alrededor del núcleo, la radiación electromagnética consiste en una línea espectral discreta.

3. Ionización de los átomos de gas. Si un electrón adquiere la energía cinética suficiente para sacar un electrón completamente del átomo, se genera un ión cargado positivamente. El electrón liberado puede ser acelerado por el campo eléctrico y colisionar con otros átomos o moléculas, repitiéndose el proceso nuevamente. El proceso puede repetirse muchas veces dependiendo de la energía cinética del electrón. La ionización de átomos o moléculas es necesaria para producir una comente eléctrica en la descarga. Sin embargo, el incremento del número de electrones libres puede ser peligroso, ya que la ionización continuada conducirá rápidamente a una comente eléctrica ilimitada a través del tubo de descarga, es decir, a un cortocircuito. La figura 1.1 [l], muestra la característica simplificada de voltaje-corriente de una descarga en gas. Como se puede observar la resistencia dinámica de la descarga es negativa y por lo tanto la corriente aumentaría en forma indefinida si no se toman las debidas precauciones.

- i Figura 1 .1 . Característica voltaje-corriente de la descarga eléctrica en gas

2

Lámparas de Alta Inlrnsidad de Dcscarga Capitulo I

Para prevenir esto, se incluye una impedancia en serie con la lámpara, generalmente un balastro inductivo, el cual limita la corriente. El valor de esta impedancia y el voltaje aplicada determinan la magnitud de la corriente en el tubo de descarga. La diferencia de potencial entre los electrodos del tubo de descarga, depende en primer lugar del relleno y de la presión del vapor. Esta presión es el resultado de la potencia de la lámpara, la cual está directamente relacionada con la corriente, con el voltaje en las terminales del tubo de descarga y con las dimensiones del tubo.

1.1.1 Tipos de descarga

La energía emitida por una lámpara de descarga puede ser radiación electromagnética visible, generada directamente en la descarga, o radiación electromagnética producida en la parte ultravioleta (W). y transformada en radiación visible por medio de materiales fluorescentes (fósforos) que se depositan en la pared del tubo de descarga. La composición de la radiación electromagnética depende del gas de relleno del tubo de descarga, el cual consiste en uno o más metales añadidos al gas auxiliar. En las aplicaciones con alta eficacia luminosa y adecuadas propiedades de color, es necesario considerar dos tipos de descarga: a baja presión y a alta presión.

1.1.1.1 Descarga a baja presión

Este tipo de descarga emite una porción relativamente grande de energía eléctrica en las I líneas con el nivel de excitación más bajo; son las llamadas líneas de resonancia, La

presión de vapor óptima para una descarga a baja presión está por debajo de 1 Pascal (Pa). Los elementos más adecuados para generar radiación en la parte visible del espectro son el sodio y el inercurio. El sodio tiene dos líneas de resonancia en la parte visible del espectro. Se localizan cerca del máximo de la curva de sensibilidad del ojo humano V( h ), figura 1.2 [l], lo cual es muy favorable. El valor de V(h) para esta longitud de onda es de 0.76. Sin embargo, un inconveniente de la radiación emitida por la descarga de sodio a baja presión es, que es una luz monocromática; otro inconveniente de la descarga en sodio a baja presión es que la presión de vapor óptima requiere una temperatura elevada, lógicamente la energía necesaria para llevar a la lámpara a esta temperatura no es convertida en luz y el rendimiento de la conversión disminuye. En el caso del mercurio a baja presión, sus dos líneas no se encuentran dentro del espectro visible, sino en la parte ultravioleta (W) en longitudes de onda 185 y 253.7 nm [2]. Esta radiación puede convertirse en visible por medio de fósforos. Tal conversión no es posible sin pérdidas. La ventaja es, que es posible influir en la composición del espectro de la radiación usando diferentes fósforos o cambiando la relación de componentes del fósforo.

3


Radiación electromagnfhica :. <. /m ! '.

i

; '.

200 400 600 80( - X I Figura 1.2. Distribución de la energía espectral de una descarga de sodio a baja

presión junto con la curva de sensibilidad del ojo humano V ( 1 )

1.1.1.2 Descarga a alta presión

Una segunda posibilidad de obtener un nivel de luz alto a partir de energía eléctrica es mediante la descarga a alta presión. La figura 1.3 [2] muestra la curva de eficiencia luminosa en función de la presión en una lámpara de vapor de mercurio. Se observa que la eficiencia se incrementa de forma continua a partir de 1 . 5 ~ 1 0 ~ Pa. Este repentino incremento es debido a la excitación de átomos a niveles más altos, aumentando las líneas espectrales en la parte visible como se muestra en la figura 1.4; se tiene también una radiación continua. La temperatura requerida para el mantenimiento de la alta

' presión inevitablemente reduce la eficiencia de la descarga.

1.2 EL PROCESO DE ENCENDIDO DE LAS LÁMPARAS DE DESCARGA

Una característica común a todas las lámparas de descarga, es la necesidad de encender y estabilizar la descarga en forma adecuada

(1rn.W')

60 1 40

20

O IJ I 10 2 10 P(W 106

Figura 1.3. Eficiencia luminosa en función de la presión del vapor de mercurio

4


Radiación eleclrornagnetica

4w 5w 600 700 - h (nm) Figura 1.4. Espectro de energía de una descarga de mercurio a alta presión

El encendido implica la conversión del gas de encendido desde un estado no conductivo a un estado conductivo. La primera fase importante en el proceso de encendido es la ruptura del gas y puede ser alcanzada solo si el circuito eléctrico proporciona a la lámpara una voltaje de encendido de suficiente amplitud durante un tiempo suficientemente largo. El proceso de encendido puede esquematizarse mediante el fenómeno de la descarga entre dos placas paralelas (figura 1.5). Las zonas más interesantes de la característica voltaje-comente de una descarga gaseosa entre dos electrodos son [l]:

I Región Geiger. Cuando se aplica un voltaje relativamente bajo, solo circula un flujo de comente muy pequeño a través del aire. Algunos electrones primarios, liberados por efecto fotoeléctrico o por radiación cósmica, se desplazan desde el cátodo al ánodo. Para incrementar el valor medio de la comente, el voltaje debe incrementarse. En esta región los electrones primarios son acelerados en el campo eléctrico homogéneo entre electrodos y multiplicados por ionización de los átomos del gas. El valor de la comente media esta determinado por el número de electrones primarios generados por segundo, así como por la energía adquirida por los electrones en el campo eléctrico.

IIDescarga Townsend La corriente es aún intermitente, la corriente media se incrementa fuertemente para un pequeño incremento de voltaje. En el punto de “ruptura de comente”, la descarga de comente comienza a ser automantenida.

111 Descarga de corriente automantenida Cada electrón primario proporciona al menos otro. La comente de descarga no es muy intermitente. El voltaje cambia ligeramente, si después de la ruptura de comente se incrementa al punto donde ocurre la “ruptura de voltaje”.

IV,V, VI Descarga luminiscente. Si después de la ruptura de corriente, ésta se incrementa, aparece un punto en el que el voltaje varía ligeramente; en este punto se produce la ruptura de voltaje. Se establece la descarga luminiscente subnormal

5

Lámparas de Alta Intensidad de Descarga Capitulo 1

(región IV) y tiene lugar una caída de voltaje sustancial. A corrientes aún más elevadas se alcanza la región de descarga luminiscente normal (región V) donde el voltaje se mantiene prácticamente constante. Con un incremento mayor de la comente se pasa a la zona de descarga luminiscente anormal (región VI), donde el voltaje comienza a aumentar cada vez más.

VI1 Descarga de arco. La transición desde la región antenor con voltaje considerablemente baja es solo posible si el cátodo se calienta localmente hasta una temperatura elevada que permita el establecimiento de una elevada emisión termoiónica.

ruptura de corriente ruotura de voltale

- IíAI Figura 1.5. Características voltaje-corriente de una descarga gaseosa

entre dos electrodos

En resumen, la descarga pasa a través de una serie de etapas, las más importantes de las cuales son: ruptura de comente, descarga automantenida, ruptura de voltaje, descarga luminiscente, transición luminiscencia-arco y descarga de arco. Los mecanismos de rupturas en recipientes tubulares de descarga, como los utilizados en lámparas de alta intensidad de descarga, son diferentes de aquellos que se producen entre dos placas paralelas como se ha descrito. Sin embargo, la condición para la descarga automantenida es la misma: “Cada electrón primano procedente del cátodo debe producir al menos un sucesor”.

Los fenómenos de ruptura de comente y posteriormente de ruptura de voltaje, se dan también en estos recipientes y también es necesaria una elevada emisión termoiónica para la transición de luminiscencia a arco. La transición luminiscencia a arco, puede ocumr inmediatamente después de la ruptura de voltaje y posiblemente también un número de inversiones de comente después del encendido. El que el arco se mantenga o

6

I.mpara5 de Alta Intensidad de Drscarga Capitulo I

no, dependerá de la energía suministrada por el circuito eléctrico a la descarga, especialmente a los electrodos.

1.2.1 Mecanismos de ruptura

La ruptura de corriente puede establecerse por alguno de los siguientes mecanismos [l]:

Mecanismo de Townsend. Es el responsable de la ruptura de corriente cuando el campo de carga espacial en la avalancha de electrones es demasiado bajo para distorsionar el campo aplicado. Esta primera avalancha de electrones causa una serie de avalanchas sucesivas en el volumen de la descarga total hasta que ocurre la comente de ruptura. Los electrones pueden ser liberados por bombardeo de iones en el cátodo o por fotones creados entre los electrodos.

La ruptura de comente puede ilustrarse considerando una descarga entre dos planos paralelos en la cual suponemos que los electrodos secundarios son obtenidos por

bombardeo del cátodo por iones positivos. Cada electrón primario produce e(a') - 1

iones en su camino al ánodo, donde a ( el coeficiente de ionización de Townsend) es la probabilidad por unidad de longitud de camino en la dirección del campo eléctrico de que un electrón ionice un átomo y 1 es la distancia efectiva entre el cátodo y el ánodo para la ionización. Suponiendo que todos los iones chocan con el cátodo, el criterio de Townsend se cumple

( 1

si: J

Donde yi =coeficiente de emisión de electrones bombardeado. El coeficiente de ionización de Townsend depende

secundarios del cátodo por ion

fuertemente de la intensidad del campo eléctrico y está dado para una variedad de gases por:

donde: po = presión del gas a la temperatura T=273K E = intensidad del campo eléctrico A,B = constantes que dependen del tipo de gas utilizado

Combinando (1. I ) y (1.2) se obtiene el voltaje necesaria para la ruptura de comente:

7

Capítulo 1 I Lámparas de AITa Intensidad de Descarga

I

En la figura neón.

El voltaje de ruptura es generalmente función de pol por lo que las medidas de dicha voltaje se presentan generalmente mediante las curvas de la figura 1.6 (curvas de Paschen). El ?oltaje de ruptura decrece con el incremento de pol para pequeños valores de pol y crece con el incremento de pal. I

1.6 vemos que la Vb más alta se tiene para el xenón, seguido por el argón y

8

Lámparas de Alda Intensidad di: Descarga Capítulo 1

l

Figura de ruptura

1.2.2

En el proceso

a) Después

a’ I 1.7. Desaiwllo temporal del voltaje y la corriente duranle el proceso

para uiil i lhnpara de sodio a alta presión de 400W. a) esquemático, b) oscilograma

Desarrollo temporal de la ruptura

de ruptura podemos distinguir las siguientes etapas (figura 1.7) [I]:

de un cierto iiempo th.1 ocurre una pequeña ruptura de corriente. Este es ei

d t

b) Después para

c) Después de arco

En la figura una lámpara

1.2.3

Para completar

O 2 4 6 8 b) - t(us)

de un tiempo tb.V (>th,[) cuando la corriente es lo suficientemente grande establecer la dcscarga luminiscente subnormal, ocurre la ruptura de voltaje.

de la ruptuia (t>tb,V) tiene lugar una descarga luminiscente o una descarga dependiendo de la cantidad de energía en el cátodo después de la ruptura.

1.7b se muestra el oscilograma del desarrollo temporal de la ruptura para de sodio a alia presión de 400 W.

Transición luminiscencia-arco

el proceso de encendido, el circuito eléctrico debe proporcionar

emisión sea

9

mantenida.

..

I

corriente de

I Capiiulo I Lámparas de Alta Inteiisidad dc Descarga

la lámpara y la caída de voltaje en el cátodo.

y sin material emisor

10

. . I

Lamparas dr Alta Intensidad de Descarga Capitulo 1

I permite alcanzar valores de eficacia luminosa de 50 lm/W e incluso mayores. Además, es posible dejorar el rendimiento del color, mediante la aplicación de materiales

La presijn de cualquier vapor metálico depende de la temperatura del metal. Cuanto más alta es !a temperatura más átomos de metal pasarán a la fase de vapor. En una lámpara de descarga, la temperatura de la pared es la que determina cuánto metal se evaporará, más específicamente, la temperatura de su punto más caliente. Si la temperatura kumenta por encima de la temperatura de saturación, el número de átomos de mercurio por unidad de volumen no puede aumentar más y se mantiene constante. Las lámparas de vapor de mercurio a alta presión operan en ese estado, por io que son mucho meno's dependientes de la temperatura que otras lámparas de descarga [2].

fluorescentes, I que convierten la radiación ultravioleta de la descarga de mercurio en luz.

I

I

1.3.1.2 Elementos constructivos

exterior. (Figura 1.9). De vidrio endurecido, diseñado para soportar del orden de 35OOC. Entre el tubo de descarga y esta ampolla existe un

(mezcla de argón y nitrógeno) para proteger a los componentes metálico; interiores del riesgo de oxidación, y, mantener las condiciones de temperatura del tubo de descarga.

2. Capa interior de fósforos. 3. Tubo del descarga. De cuarzo, para soportar la alta temperatura registrada en el

mismo (750°C) durante su funcionamiento. Su forma es cilíndnca, con los extremos scmiesfékcos y contiene dos electrodos principales (uno de cada lado), un electrodo auxiliar y el gas de llenado (normalmente neón) junto con la dosificación exacta de mercurio', para que todo él se vaporice cuando la lámpara alcance sus características

4. Electrodos Principales. Tienen una base de tungsteno en espiral, recubierta por sustancids emisoras de electrones (óxidos o carbonatos de estroncio, bario, tono y otros aditivos alcalíno-térreos).

I

I

de régimen I permanente. I

I 1 2 3 4 5 6

Figura j .9. Elementos constructivos de una lhmpara de vapor de mercurio a alta presión; 1) ampolla exterior, 2) capa inferior de fósforos, 3) tubo de descarga, I

4) electljodos I principales, 5) electrodo de encendido, 6) resistencia de encendido

Capitulo I Limparar de Alla Intensidad de Descarga

5 . Electrodo de encendido. Es un simple hilo de tungsteno o molibdeno, colocado muy próximo a un electrodo principal, pero conectado al polo opuesto, a través de una resistencid de encendido (6 ) de 10-30 Q.

1.3.1.3 Características de encendido I

reducir 1: Cabr

dependie sobredim

1.3.1.4 C

El voltq dimensio Cada lán voltaje pi La relaci rango, el baja pote corriente

Estas linhparas solo pueden arrancar desde voltaje europea (220 Vms) con la ayuda de un electrodo auxiliar. En el encendido, el voltaje de suministro se aplica entre los dos electrodos pnncipales, pero la distancia entre ellos es demasiado grande para iniciar la descarga. Simultáneamente, esa misma voltaje aparece entre el electrodo auxiliar y el principal adyacente, de modo'que se produce una descarga entre ellos, limitada por la resistencia dkl electrodo auxiliar. Esta pequeña descarga ioniza el mercurio y provoca el establecimicho de la descarga entre.los electrodos principales.

La descarga inicial, se verifica prácticamente en condiciones de baja presión, con emisión intensa de radiación ultravioleta; conforme la descarga evoluciona, se incrementa la temperatura, el mercurio se evapora progresivamente y aumenta su

a ser la propia del mercurio: I El tiempo total de encendido es del orden de 4-5 minutos, durante el cual las I caractenstica de la lámpara vanan como se indica en la figura 1.10. La alta presión hace

imposibli 1 re-encendido inmediato. Así, es preciso un periodo de 3-6 minutos para !esión a los valores requeridos, antes de reiniciar la operación. :stacar que durante la puesta a regimen, la corriente de arranque puede ser, ).del tipo de lámpara, de 1.5 a 1.9 veces la corriente nominal, lo que obliga a jionar el circuito de alimentación [2].

1 I. .

I

I I

presión, co Jf I inando la descarga a una región estrecha en el eje del tubo y la emisión pasa

acterísticas eléctricas

depende fundamentalmente de: la presión del vapor de mercurio, las i fisicas del tubo, y el espaciado entre los electrodos. ra de descarga necesita un balastro para una operación estable. Parte de el :ipal está en la lámpara y otra parte en el balastro. entre el voltaje y la comente de la lámpara no es simple. En un amplio ltaje de la lámpara es casi independiente de la comente. En las lámparas de ia, el voltaje de la lámpara decrece ligeramente con el incremento de la entras que en las lámparas de alta potencia se incrementa ligeramente.

12

. .-

I

- t(rnin)

Capíiulo 1 a intensidad de Descarga

150

% 1 I 00

50

O

1 Lámparas de AlFa Intensidad de Descarga Capitulo 1

I

un circuito de voltaje arrancador

1.1 1); en algunos casos se añade, en su lugar, una capa difusora con de la lámpara.

electrónico, cuya parte fundamental es un tiristor que suministra un impulso muy elevado, una vez por cada ciclo. Una vez producida la descarga, el queda desactivado, dejando de emitir impulsos de voltaje.

Figura 1.1 I . Lámpara de halogenuros metálicos

1.3.2.2 Ele i, entos constructivos

Los compo entes principales de este tipo de lámpara son [2]:

Tubo de descarga. De cuarzo, muy similar al de las lámparas de vapor de mercurio, con la diferencia característica de que no existe el electrodo auxiliar de encendido. Electrodo. También de tungsteno, pero con algunas diferencias en cuanto a la sustancia emisora de electrones. Gas de henado. Argón en la mayoría de los casos, o bien, una mezcla argón-neón, para redhcir el voltaje de encendido. AmpoIla exterior. De vidrio, con características similares a las lámparas de vapor de mercurio.

I I

14

de voltaje de

15

35 a 60 kV [3].

componentes

1.3.3

no están todos en el estado de vapor (figura 1.12).

p 450 /’+4% 1 400 - /’

/ .‘ 350 - LO* .0 6’ Pmin

/ - -------- /

#‘ *0 ’ , -10 -5 rated 5 10

d v, (%) Figura 1.12. Efecto de las variaciones de voltaje

Lámparas de vapor de sodio

Intensidad de Descarga Capítulo 1

1.3.3.2

I O0

(“4

t O

Elementos constructivos

1 1 o2 104

Tubo de descarga. De óxido de aluminio translúcido. Presenta una forma cilíndrica,

16

Lamparas dc Alta Intensidad de Descarga Capitulo 1

Figura 1.14. Elementos constructivos de una Iampara de vapor de sodio

Acero inoxidable

Lámina de acero-níquel

Electrodo Tungsteno)

17

I

Lámparas de 7

%B

a)

N 0 -

Figu

La desc atmósfera 1.5 veces la descargi

El períi minutos, s

1.3.3.4 Ca

En es introduce vaporiza y normalmei temperatur funcionam vida de la

Un de \ elec La7 de a

1.3.4 Re

Debido a s luminosa,

a Intensidad de Descarga Capítulo 1

T

1.15. Circuitos de encendido para lamparas de HID; a) paralelo, b) semiparalelo, c) serie

a se produce, una vez iniciado el arco a través del xenón, sobre todo en la vapor de mercurio, con voltaje de arco reducida e intensidad elevada (1.2- oniente nominal), evolucionando rápidamente hacia las Características de sodio. de encendido, requiere un tiempo total que puede alcanzar unos 5-10

:n a los 4 minutos, emite ya el 80% del flujo nominal.

terísticas eléctricas

¡a, el sodio y el mercurio forman una amalgama que, generalmente, se :xceso en el tubo de descarga. Durante el funcionamiento, una parte se resto permanece en estado líquido, constituyendo el punto frío del tubo, detrás de uno o ambos electrodos. La presión del vapor depende de la el punto fro, y tiene una influencia decisiva en las características de :o de la lámpara, entre ellas el voltaje de arco, que crece a lo largo de la para, debido a:

emento de la temperatura del punto frío (y consecuentemente de la presión )r) como consecuencia del depósito de sustancia emisiva alrededor de los los. xización adicional del sodio, que modifica paulatinamente la composición Igama.

nen de las lámparas de HID

características favorables como son: largo tiempo de vida, alta eficiencia elente reproducción de colores (IRC), y gran variedad de potencias, las

18

Capítulo 1 Lámparas de Alta Intensidad de Descarga

Reproducción de Color (IRC)

65-93 Halogenuros Metálicos Sodio Alta

Presión Mercurio

Alta Presion

25-60

42-52

lámparas de alta intensidad de descarga tienen actualmente un gran mercado, de ahí, que sea necesario el conocer sus principales características para realizar una selección adecuada de ellas.

Algunas de las principales características eléctricas de las lámparas de alta intensidad de descarga se muestran en la tabla 1.1, En esta tabla se muestran diferencias en cuanto al rendimiento entre las principales lámparas de HID. Las cuales pueden resultar de interés en la selección de un determinado tipo de lámpara de alta intensidad de descarga.

Duración Eficacia Voltaje de (Horas) ( im/w) encendido 3,500

20,000 14,000 55,000 12,000 24,000

Potencia (W)

68-100 1.5kV> 35-1,500

66-140 1.5kV> 3s-1,000

19-63 220v 40-1,000

Tabla 1.1. Principales características de lámparas de HID

En la tabla 1.2 se muestra un cuadro comparativo de las principales aplicaciones de las diferentes lámparas de alta intensidad de descarga.

Tabla 1.2. Principales aplicaciones de las lámparas de alia intensidad de descarga

8

1. Escaparate de pequenos comercios. 2. Interior comercial. 3. Iluminación para zonas deportivas 4. Estadios. 5. Tramos elevados. 6. Industrial. 7. Almacenes

8. Entretenimiento. 9. Zonas peatonales. IO. Seguridad. 1 1. Alumbrado de calles. 12. Carreteras. 13. Horticultura

19

Capítulo 1 Lámparas de Alta Intensidad de Descarga

1.4 OPERACIÓN EN ALTA FRECUENCIA

Una vez realizado el proceso de encendido de la lámpara en todas sus etapas: (mptura de comente, descarga automantenida y transición luminiscencia a arco), la lámpara se encucntra finalmente en el modo de descarga a baja presión. A partir de aquí comienza la fase de calentamiento, en la que los continuos choques de los electrones con los átomos del gas inerte auxiliar provocan el aumento de la temperatura en el tubo de descarga y a su vez la vaporización del metal existente en su interior. De esta forma, poco a poco la descarga de arco a baja presión se va transformando en una descarga de arco a alta presión y la lámpara va alcanzando su funcionamiento en régimen permanente.

El comportamiento de las lámparas de descarga depende mucho de la frecuencia de funcionamiento. La influencia de la frecuencia y la forma de onda de la corriente de alimentación sobre las propiedades de las lámparas de descarga de alta presión está directamente relacionada con el tiempo de relajación para el enhamiento del plasma. Si el periodo de la onda de comente de alimentación supera el tiempo de relajación, la temperatura del plasma será modulada. En el caso contrario, cuando este penodo es mucho menor que el tiempo de relajación, la temperatura del plasma permanecerá prácticamente constante durante todo el intervalo, al igual que el funcionamiento en continua [I].

En la figura 1.16 se muestran las características de operación medidas y calculadas de una lámpara de vapor de sodio de 70 W en el margen 50 Hz-20 lcHz [ 11.

Se puede observar que si la lámpara es operada en alta frecuencia, entonces:

Los picos de reencendido y extinción desaparecen, por lo que el comportamiento se le considera prácticamente resistivo. El factor de potencia de la lámpara es próximo a la unidad, debido a que el voltaje en la lámpara es prácticamente senoidal La modulación del flujo luminoso se reducc. El espectro de energía no cambia significativamente. La eficiencia luminosa de la lámpara permanece casiconstante.

20

Capitulo I Lamparas de Alta Intensidad de Descarga

. . . . . . . . . calculada I 0.71 . , ,

t o 10' IO' 10' 1

d f(Hz) bl

Figura I . 16. Cnracierísticas de operación, medidas y calculadas de una lámpara de alia presión de vapor de sodio de 70 Watts, en el margen

5OHz-20 k l í z a) voltaje en la lámpara, b) factor de poiencia

1.5 RESONANCIAS ACÚSTICAS

1.5.1 Definición

El funcionamiento de las lámparas de alta intensidad de descarga con corrientes de alta frecuencia y bajo determinadas condiciones de funcionamiento, trae consigo el fenómeno de las resonancias acústicas. Este fenómeno se produce por la aparición de ondas de presión en el interior del recipiente de descarga, que originan distorsiones en el camino de descarga. El fenómeno de las resonancias acústicas aparece en determinadas bandas de frecuencia. La figura 1.17 muestra estas bandas para una lámpara de sodio de alta presión de 250W, cuando se alimenta con corriente senoidal cuya frecuencia se aumenta desde 50Hz hasta IOOKhz [I ] fuera de las zonas sombreadas la descarga tiene el misiiio aspecto que a 50Hz.

Las bandas de frecuencia en las que se produce la resonancia varían de un tipo de lámpara a otro, pues dependen mucho de las dimensiones del tubo de descarga. Además, puede aparecer un número diferente de bandas de resonancias, debido al diferente amortiguamiento de las ondas acusticas en el tubo de descarga, y a las condiciones de presión y composición del gas existente en el mismo.

21

Lámparas de Alta Intensidad de Descarga Capítulo 1 ,

3 10

azimutal iongtudinal-

I /// / / / .jiijl (Iln) b ::::::

.

IO4 t

10 t Figura 1.1 7. Fotogru$a de los caminos de descurga de una lámpara de alta

intensidad de descarga según la frecuencia

1 S.2 Problemas ocasionados por las resonancias acústicas

Como consecuencia del fenómeno de las resonancias acústicas, puede suceder que el camino de la descarga sea desplazado hacia la pared del tubo en el que se produce dicha descarga, produciendo un sobrecalentamiento de la misma que podría ocasionar la ruptura del recipiente [2,4,5]. Estas inestabilidades se traducen también en fuertes fluctuaciones del flujo luminoso, lo cual es muy molesto para el observador, además de fuertes oscilaciones de el voltaje y comente en la lámpara, que pueden ocasionar el daño de la misma, o que no puedan ser mantenidas por el balastro. Es por lo tanto, interesante conocer en qué bandas de frecuencia ocurren estas resonancias acústicas.

1.5.3 Soluciones al problema de las resonancias acústicas

En un fluido, la relación entre las fluctuaciones de presión y la potencia suministrada ai mismo viene dada por la ecuación de ondas. En el dominio del tiempo esta ecuación es la siguiente:

22


-+T--c a2p ap 2 V 2 p=(k-1) - apv

at2 at at (1.4)

donde: p es la presión del gas Pv es la energía entregada por unidad de volumen de gas (diferencia entre la energía eléctrica de entrada y las pérdidas por radiación y conducción), r es el coeficiente de amortiguamiento y k es la relación entre los valores específicos a presión constante (Cp) y a volumen constante (Cv) del gas.

Este ecuación puede escribirse también en el dominio de la frecuencia de la forma siguiente:

donde w A C representa la frecuencia de resonancia acústica, a la cual la presión y la potencia se encuentran en fase, y las oscilaciones están limitadas solamente por el coeficiente de amortiguamiento r.

Las frecuencias de resonancias teóricas para cada geomelria, composición del gas, presión y temperatura pueden obtenerse resolviendo la correspondiente ecuación de ondas. La resolución de dicha ecuación resulta bastante laboriosa y no es el objetivo del presente trabajo. A partir de esta ecuación se obtienen tres modos distintos en los que pueden aparecer las resonancias: longitudinales, radiales y mixtas (longitudinales- radiales). Un factor importante en la producción de las resonancias acústicas es la fuerza excitadora de las mismas, que es la potencia suministrada a la descarga. La generación de estas ondas acústicas sólo tiene lugar si la potencia entregada es suficientemente elevada a las frecuencias de resonancia. Es decir, existe un valor umbral de la potencia suministrada a la frecuencia de resonancia, por debajo del cual no se presentan dichas ondas acústicas [ I , 91.

Una de las técnicas utilizada para prevenir inestabilidades o resonancias acústicas, se basa en la distribución de la potencia de la lámpara en un número de frecuencias de bandas laterales [3, 5, 61. Esto limita la amplitud de cada armónico de potencia, mientras que a potencia total permanece igual. Sin embargo, para lograr esta distribución de potencia, es necesario realizar una modulación de frecuencia, con lo cual el circuito de control se vuelve complejo. Otra estrategia para evitar el fenómeno de las resonancias acústicas, consiste en diseñar balastros electrónicos de forma tal, que operen a la lámpara con ondas cuadradas de baja frecuencia (de 50 a 250 Hz) [3], de esta forma se asegura que la lámpara no presentará el fenómeno de las resonancias acústicas, debido a que la lámpara estará alimentada por una fuente de comente continua la cual no presenta excitación y el arco de descarga permanece estable. Sin embargo, este tipo de balastro debe proporcionar una señal

23


bipolar, con lo que el encendido debe ser proporcionado por un circuito ignitor, con lo cual se incrementan los costos. En otros diseños de balastros, la lámpara es operada con una onda senoidal dentro de una banda de frecuencia pequeña (típicamente en el rango de 22 a 28 Khz) en donde no se presenta el fenómeno de las resonancias acústicas [6,7].

Hasta este momento se han presentado las principales caractensticas de las lámparas de descarga, profundizando en las diferentes etapas que se presentan en una descarga en gas, además de mencionar las principales caractensticas de las lámparas de alta intensidad de descarga, así como la problemática asociada a la utilización de este tipo de lámparas en alta frecuencia.

24

Capítulo 2

Balastros para Lámparas de Descarga

En este capítulo se presentan las principales caracteristicas de los balastros electrónicos, los circuitos tradicionales de alimentación para lámparas de descarga, y algunos circuitos de encendido tipicos. Además, se presentan las partes principales de un balastro electrónico, así como los diferentes tipos de inversores resonantes con los cuales se implementa un balastro electrónico. Un análisis fasorial de los tanques resonantes es realizado, con el fin de seleccionar los adecuados para el manejo de lámparas de alta intensidad de descarga.

2.1 GENERALIDADES SOBRE BALASTROS

Las lámparas de alta intensidad de descarga tienen una característica de voltaje-comente negativa, por lo que es necesario emplearse algún elemento limitador de comente, como una reactancia o un transformador electromagnético. Este elemento limitador de comente se le denomina habitualmente balastro. En ocasiones, además es necesario suministrar una sobretensión inicial para producir la descarga y debe emplearse en conjunto con el balastro un elemento adicional denominado arrancador.

2.1.1 Función del balastro

La función más importante del balastro es la de controlar la comente de la lámpara. Puesto que el balastro actúa a modo de interfase entre la lámpara y la red de distribución, es deseable que el balastro reuna ciertos requisitos para ambas.

Capítulo 2 Balastros para Lámparas de Descarga

Con respecto a la lámpara de descarga, el balastro debe asegurar lo siguiente [2,3]:

Mantener la potencia de la lámpara próxima a su valor nominal frente a variaciones del voltaje de red y del voltaje en la lámpara, el cual puede variar a lo largo de SU vida o por otros efectos como la variación de la temperatura exterior. Producir un reencendido fiable en la lámpara cada vez que la comente en ella cambie de polaridad. Establecer las condiciones adecuadas para el paso desde la ruptura de voltaje al régimen permanente de funcionamiento.

Con respecto al voltaje de distribución, es recomendable que el balastro asegure lo siguiente:

La distorsión de la comente de alimentación debe ser mantenida dentro de unos límites determinados, necesarios para conseguir una voltaje senoidal de alimentación sin distorsión. En caso de distribuciones trifásicas deben evitarse elevadas amplitudes del tercer armónico circulando por el neutro de la línea. La comente de alimentación debe estar en fase con el voltaje de red para mantener mínima las pérdidas en los cables. Esto se traduce en que el factor de potencia, que para pequeñas distorsiones de la comentes es igual a cos 4 , debe ser preferentemente superior a 0.9. Las interferencias electromagnéticas originadas (por ejemplo, durante el encendido y reencendido) deben ser suprimidas. El sistema no debe perturbar señales de control remoto, como por ejemplo, las empleadas para conmutación del nivel de iluminación en los alumbrados públicos,

Requisitos adicionales son, entre otros, que el balastro debe ser lo más eficiente y ser tan pequeño y ligero como sea posible.

2.1.2 Circuitos de alimentación tradicionales

Los circuitos empleados tradicionalmente para la estabilización de las lámparas de alta intensidad de descarga son los siguientes [2, 31:

9 Reactancia inductiva en serie = Reactancia autotransfonnadora 9 Reactancia autorreguladora 9 Reactancia con transformador 9 Reactancia de doble nivel de iluminación

En la figura 2.1 se muestran estos tipos de reactancias cuyas características principales se comentan a continuación:

26

Balastros para Lámparas de Descarga Capitulo 2

Reactancia inductiva en serie. Es el circuito de estabilización más simple. Consiste en una reactancia inductiva en serie con la lámpara (figura 2.la). La reactancia está formada por un único devanado realizado sobre un núcleo de hierro. La única función de este balastro es limitar la corriente a través de la lámpara. Este circuito sólo puede emplearse cuando el voltaje de red está dentro de unos valores determinados por el correcto funcionamiento de la lámpara. La regulación de potencia en la lámpara frente a variaciones en el voltaje de red es baja, una variación del 3% en el voltaje de red produce una variación del 6% en la potencia de la lámpara. Por tanto este circuito no es recomendable si el voltaje de línea sufre variaciones supenores al 5%. El factor de potencia del circuito es muy bajo, por ello, normalmente se conecta un condensador en paralelo, que no afecta básicamente a la corriente de la lámpara ni a la regulación de potencia, pero que si consigue factores de potencia del orden de 0.9. Este condensador también disminuye la corriente de encendido prácticamente al valor normal de régimen permanente.

control B . . . . F

Figura 2.1. Circuitos empleados tradicionalmente para la alimentación de lámparas de descarga: a) reactancia inductiva en serie, b) reactancia autotransformadora, c) reactancia autorreguladora. d) reactancia con transformador, e) reactancia de doble nivel de iluminación

9 Reactancia autotransformadora. En los casos en los que el voltaje de red está por encima o por debajo de los límites necesarios para el adecuado encendido y alimentación de la lámpara, se emplea un circuito con autotransformador y reactancia limitadora para la alimentación de la lámpara. Todo el conjunto va montado sobre un mismo núcleo tal como se muestra en la figura 2.lb. Las características son básicamente las mismas que las del circuito anterior y debe añadirse un condensador en paralelo para mejorar el factor de potencia.

27

Balasiros para Lámparas de Dcscarga Capitulo 2 I

rn Reactancia autorreguladora. Este circuito se muestra en la figura 2.lC Y actmhente es el sistema que presenta las mejores Características para la alimentación de lámparas de alta intensidad de descarga. En la bibliografia anglosajona suele ser referido con . las siglas CWA “Constant Wattage Autotransformer”. El circuito consiste en un autotransformador de elevada reactancia con un condensador en sene con la lámpara. El condensador serie permite conseguir una buena regulación de potencia en la lámpara frente a variaciones en el voltaje de red. Se emplea en zonas donde es de esperar que el voltaje de red varíe más de un 5%. Por ejemplo, un 10% de variación en el voltaje de red sólo produce un 5% de variación en la potencia de la lámpara. Otras ventajas de este circuito son su elevado factor de potencia, baja voltaje de red para la ,extinción de la lámpara y comente de encendido más bajas que las comentes de línea normales.

Reactancia con transformador. Estos circuitos suelen ser también del tipo CWA. El flujo luminoso y la potencia de la lámpara varían sólo en tomo a un 2% para variaciones de el voltaje de red del 13%. La diferencia con respecto al circuito anterior es que está totalmente aislado de la red, lo que puede ser necesario en determinadas aplicaciones (figura 2.ld).

Reactancia de doble nivel de iluminación. También se denominan reactancia de ahorro de energía y ‘disponen de dos niveles de ilm’inación gobernados mediante una linea de control remoto. Están destinados a instalaciones donde, a determinadas horas se puede reducir el nivel de iluminación sin una disminución importante de visibilidad pero con un ahorro de energía considerable. Como se observa en la figura 2.le, el circuito consiste en una reactancia inductiva con una toma media y un contacto controlado por un relé, de forma que se puede seleccionar el valor de la inductancia al colocir en sene con la lámpara y por tanto la comente que circulará a través de la misma. ‘La reducción en el flujo luminoso de la lámpara suele ser del orden del 60% consiguiendo un ahorro de energía del 40-50%. La conmutación entre tomas debe realizarse con cuidado, pues un apagado momentáneo de la lámpara impediría su reencendido hasta pasado algunos minutos.

-

2.1.3 Circuitos de encendido

Las lámparas de vapor de mercurio disponen de electrodos auxiliares que les permiten el encendido con tensiones bajas, del orden de 200V, por lo que no necesitan ningún dispositivo exterior adicional para el encendido. Sin embargo, las de halogenuros metálicos y las de sodio a alta presión necesitan una voltaje de encendido muy elevada, que no puede obtenerse directamente desde el voltaje de red. Para obtener esta voltaje se emplean los denominados circuitos de encendido o arrancadores.

Los circuitos de encendido son los siguientes [2, 31:

= Arrancador en paralelo (figura 2.2a). Arrancador en semiparalelo (figura 2.2b). . , Arrancador en sene con transformador de impulsos (figura 2 .2~) .

28

Balastros para Lámparas de Dcscarga

Estos dispositivos de encendido empleados comúnmente generan pulsos de corta duración, con amplitud elevada y a la frecuencia de red. Los valores de la amplitud del pico de voltaje, su duración y situación con respecto a el voltaje de red se encuentran normalizados para asegurar el encendido de las diversas lámparas.

Capítulo 2

2.1.3.1 Arrancador en paralelo

Este arrancador emplea un interruptor que normalmente forma parte de la lámpara, y que se abre y se cierra repetidamente para generar tensiones transitorias entre los electrodos del tubo de descarga (figura 2.2a) Estos transitorios aparecen debido a los cambios bruscos de comente en la bobina. El interruptor suele ser del tipo bimetálico y se encuentra en el interior de una ampolla con un determinado gas de llenado. La amplitud del transitorio de voltaje producido durante la apertura está limitada por la propia descarga luminiscente en el interruptor.

Figura 2.2. Circuitos de encendido utilizados ’ tradicionalmente: a) arrancador en paralelo, b) arrancador en semiparalelo, e) arrancador en serie con transformador de impulsos

2.1.3.2 Arrancador semiparalelo y serie

Estos circuitos de encendido suelen denominarse arrancadores electrónicos ya que emplean como interruptor un semiconductor. El cierre del interruptor origina la carga de un condensador que luego se descarga sobre unas pocas vueltas de la propia bobina del balastro (circuito semiparalelo figura 2.2b) o sobre el primario de un transformador de impulsos independiente (circuito serie, figura 2 . 2 ~ ) El voltaje es elevada de esta manera hasta la amplitud requerida, apareciendo sobre el devanado secundario. La ventaja del arrancador sene con el transformador de impulsos es que el balastro no está sometido a sobretensiones y pueden emplearse balastros de menor rigidez dieléctrica. Esto es importante, pues cuando falla la lámpara, los pulsos de alta voltaje generados continuamente pueden acabar perforando el dieléctrico del balastro. Sin embargo, tiene la desventaja de que el transformador de pulsos debe estar colocado próximo a la lámpara, para limitar la carga capacitiva y tener buen funcionamiento.

29

Balasiros para Lámparas de Descarga

Los principales inconvenientes de los sistemas tradicionales son:

Capitulo 2

Elevado tamaño y peso. Pobre regulación de potencia y bajo rendimiento. Dificil reencendido. Mala regulación del flujo luminoso. Envejecimiento de las lámparas. Bajo factor de potencia y alta distorsión armónica. Rizado del flujo luminoso y efecto estroboscópico. No existen para alimentación desde bajo voltaje.

2.2 BALASTROS ELECTR~NICOS

Los objetivos perseguidos por los sistemas de alimentación electrónicos son básicamente mejorar en la medida de 110 posible, todos los inconvenientes comentados anteriormente, que pueden resumirse en los siguientes puntos:

Disminución del tamaño y peso de los sistemas consiguiendo una relación watts por centímetro cúbico elevada. Aumento del rendimiento del equipo consiguiendo simultáneamente una regulación óptima de la potencia en la lámpara independientemente de las fluctuaciones en el voltaje de red. Encendido y reencendido fiables de la lámpara, así como el reencendido en caliente de la misma. Regulación del flujo luminoso, dentro de los límites permitidos por la propia lámpara Minimización del efecto de envejecimiento de la lámpara sobre la potencia consumida por la misma, consiguiendo la mayor vida de la lámpara posible. Elevado factor de potencia y mínima distorsión armónica en la comente consumida de la red. Minimización del rizado en el flujo luminoso y del efecto estroboscópico. Posibilitar de alimentar las lámparas desde baja voltaje de entrada.

Debido a la tendencia actual de fabricar equipos cada vez más eficientes gracias al enorme desarrollo experimentado en la electrónica de potencia, como ha sido la aparición de nuevos componentes semiconductores con mayores prestaciones (BJT, MOSFET, IGBT, etc); y por la necesidad de lograr un ahorro en el consumo de energía eléctrica y una disminución en el tamaño de los equipos, el campo de la iluminación requiere de sistemas más eficientes, es decir, de mejores balastros con una alta densidad de potencia. En la figura 2.3 se muestra el diagrama a bloques simplificado de un balastro electrónico típico, para la alimentación de lámparas de descarga. El primer bloque corresponde a un filtro pasabajos que se encarga de corregir la posible distorsión en el voltaje de red debido al ruido introducido hacia la red. El voltaje alterna de línea es rectificada y filtrada para producir un voltaje continuo estable. El bloque inversor, convierte el voltaje continuo a su entrada en un voltaje alterno en alta frecuencia (típicamente por amba de los 20 Khz) para la excitación de la lámpara. El voltaje de salida senoidal se obtiene

30

Capitulo 2 Balasiros para Lámparas de Descarga

FILTRO PUENTE EM1 ---* RECTIFICADOR - C.A --+

mediante un circuito tanque resonante a base de bobinas y condensadores. El inversor y el circuito tanque operando en las proximidades de la frecuencia de resonancia constituyen el inversor resonante. En algunos casos, el circuito de encendido puede constituir un bloque separado que se encarga de encender la lámpara inicialmente, sometiéndola a una elevada voltaje y desactivándose posteriormente. Puede existir un circuito de control de flujo luminoso que gobierne adecuadamente el inversor para controlar el flujo luminoso de la lámpara siguiendo un valor de referencia.

TANQUE RESONANTE

INVERSOR

FRECUENCIA DEALTA -

Figura 2.3. Diagrama a 'bloques tipico de un balastro electrónico

2.2.1 Inversores de alta frecuencia

Los inversores de alta frecuencia se pueden clasificar como inversores alimentados en voltaje e inversores alimentados en corriente. En los inversores alimentados en comente, la comente de salida se mantiene constante independientemente de la carga del inversor. En realidad el inversor alimentado en comente es un dual del inversor alimentado en voltaje, ya que la forma de onda de corriente de un inversor alimentado en comente es similar a la forma de onda de un inversor alimentado en voltaje. Las principales ventajas de un inversor alimentado en corriente son: la comente de entrada en CD es controlada y limitada, por lo que un disparo equivocado de los dispositivos de conmutación, o algún corto circuito en la carga no provoca problemas serios, además, la comente pico en los dispositivos de potencia está limitada. Sin embargo, presenta la principal desventaja de requerir un inductor relativamente grande para poder presentar la característica de fuente de comente, por lo que la respuesta dinámica es más lenta. Un problema adicional es que no se pueden abrir todos los interruptores si hay comente de carga. En al figura 2.4 se presentan algunos de los principales inversores alimentados en comente.

En los inversores alimentados en voltaje, como su nombre lo indica, el inversor es alimentado por una fuente de voltaje, lo cual es más simple que alimentarlo con una fuente de comente, ya que no se coloca un inductor de valor considerable en la entrada. Sin embargo, los circuitos de conmutación deben estar bien sincronizados, ya que se puede cortocircuitar a la fuente de entrada si no se realizan las conmutaciones de los

31

Balastros para Lámparas de Descarga Capítulo 2

elementos de potencia en forma adecuada. Por otra parte este tipo de inversor no cuenta con protección contra cortocircuito en la carga como lo tienen los inversores alimentados en comente. Sin embargo, a pesar de sus desventajas, los inversores alimentados en voltaje son actualmente los más utilizados para construcción de balastros electrónicos. En el desarrollo de este trabajo se abordarán Únicamente los inversores alimentados en voltaje, dejándose el estudio de los inversores alimentados en comente para un estudio futuro.

a) b) Figura 2.4. hversores alimentados en corriente; a)Inversor puente completo

alimentado en corriente, 6) inversor push-pull alimentado en corriente

2.2.1.1 Amplificador Clase D

En la figura 2.5a se presenta un amplificador clase D, el cual consiste de dos interruptores, uno de ellos flotado (Tl) y el otro atemzado (T2) con respecto a la fuente de alimentación, La carga es alimentada por medio de una fuente de voltaje Vcc. En la figura 2.5b se observa la forma de onda que se obtiene a la salida de este tipo de inversor la cual es una señal unipolar, por lo que la componente de CD de esta señal debe ser eliminada por medio de un capacitor en sene. La fundamental de esta señal está dada por:

2VccSen(nD) VI = n

en donde Vcc es el voltaje de alimentación al inversor y D es el ciclo de trabajo de los interruptores. Para un ciclo de trabajo del 50% la fundamental es

2vcc v1 =- n

32


Figura 2.5. a) Amplijicador Clase 0, b) forma de onda aplicada a la carga

2.2.1.2 Inversor Medio Puente

La topología de un inversor medio puente se muestra en la figura 2.6. Se observa en la figura que dicha topología esta constituida por un par de interruptores, uno de ellos flotado (TI), la carga es alimentada por medio de un divisor de voltaje formado por dos capacitores (Cl y C2) colocados a la entrada del inversor. Aún y cuando la señal de salida de este inversor es una señal bipolar sin componente de CD a la salida, la fundamental es del mismo valor que la del amplificador clase D, debido a que el voltaje de entrada es dividida entre dos por los capacitores C1 y C2. Esta topología presenta la desventaja de necesitar de dos capacitores de filtrado en lugar de uno como en el resto de las topologías, capacitores que deben ser de precisión para evitar un desbalance del voltaje aplicado a la carga.

b)

Figura 2.6. a) Inversor medio puente, b) forma de onda aplicada a la carga

33


2.2.1.3 Inversor Puente Completo

En la figura 2.7 se muestra el diagrama de un inversor puente completo; se aprecia que existen dos interruptores flotados (Ti y T3). En la figura 2.7b se presenta la forma de onda de la señal de salida de este inversor, se observa que la magnitud de dicha señal es el doble de las topologías medio puente y amplificador clase D, ya que va desde +Vcc hasta -Vcc. Esta topología presenta además la flexibilidad de poder ajustar el ancho del pulso positivo y negativo. Si denominamos a al tiempo muerto de cada semiciclo entonces la fundamental aplicada al tanque resonante es:

v1 = -cosa 7[

Figura 2.7. a) Inversor puente completo, b) forma de onda aplicada a la carga

2.2.1.4 Inversor Push-Pull

La topología del inversor Push-pull, el cual está formado por dos interruptores aterrizados, se muestra en la figura 2.8. La ventaja principal de esta topología es que no es necesario agregarle un impulsor adicional para el manejo de los interruptores flotados. La forma de onda de salida este tipo de inversor es similar a la del inversor puente completo con la excepción de que el valor de Vcc se multiplica por la relación de vueltas del transformador. Su principal desventaja es la presencia de dicho transformador, además, el esfuerzo en los interruptores es de 2 Vcc. Sin embargo, es muy utilizado para alimentación desde baja voltaje, debido a que puede elevar el voltaje de alimentación por medio del ajuste en la relación de vueltas del transformador.

34


Magnitud de la Esfuerzo de voltaje fundamental (D=0.5) en los interruptores Topología Transistores flotados

vcc 1

vcc 1

Amplificador Clase p&c

2vcc D I[ -

I[ Medio Puente

Puente Completo vcc 2 I[

2vcc O m. I[

Push-Pull

1:N

Figura 2.8. a) Inversor Push-Pull, b) forma de onda aplicada a la carga

2.2.1.5 Resumen de características

En general, con respecto a las topologias alimentadas en voltaje presentadas, se puede concluir que la topología a utilizar dependerá de las necesidades que se tengan, ya que si se requiere utilizar una topología que proporcione una alta potencia, el inversor puente completo sería la mejor opción. Sin embargo, si lo más importante es disminuir el número de elementos del inversor, el amplificador clase D sería una buena elección. Para una alimentación desde bajo voltaje, sin lugar a duda la mejor opción es el inversor Push-pull debido a su facilidad de manejar un mayor voltaje de salida al variar su relación de transformación. En la tabla 2.1 se presenta un resumen de las principales características de los inversores alimentados en voltaje. Todas las topologías presentadas previamente pueden ser alimentadas en comente, solo es necesario agregarles una inductancia entre el capacitor de filtrado y el inversor de alta frecuencia. Sin embargo, esta caractenstica representa una desventaja pues involucra agregar un elemento extra, el cual por ser una inductancia resulta ser costoso y voluminoso.

35


2.2.2 Tanques Resonantes

Como se mencionó previamente, el objetivo del tanque resonante es filtrar la onda cuadrada de voltaje en la salida del inversor de alta fkcuencia, de forma que las ondas de voltaje y corriente sean prácticamente senoidales. Esto hace que la lámpara sea alimentada también con voltaje y comente senoidales, con baja distorsión armónica. El circuito tanque debe tratar de suministrar la corriente y voltaje necesaria para la lámpara en régimen permanente y manejando la mínima comente de entrada posible, para así disminuir las pérdidas en los interruptores. Existe una gran variedad de combinaciones de tanques resonantes, dependiendo de la ubicación de los elementos inductivos y capacitivos en dicho tanque resonante.

2.2.2.1 Requisitos básicos que debe cumplir un tanque resonante

Los requisitos básicos que debe de cumplir un adecuado de una lámpara de descarga son los siguientes:

9

tanque resonante para un manejo

Limitar la corriente ,de la descarga. Para estabilizar la comente en la lámpara se necesita de un elemento en serie con la lámpara. Este elemento puede ser un inductor, un capacilor o resistencia. La resistencia se elimina por ser un elemento disipativo y por lo tanto poco eficiente. El capacitor es eliminado por ser un mal elemento limitador .de comente y únicamente queda la bobina que por sus características naturales es el mejor elemento limitador de comente. Un inductor en serie con la lámpara puede actuar como una fuente de comente y estabilizar la descarga en la lámpara. Por lo tanto,,resulta recomendable tener una inductancia en serie con la lámpara, o bien, un tanque resonante con un comportamiento inductivo en serie con la lámpara

Proporcionar una señal simétrica sin componente en CD con bajo factor de cresta. El problema de aplicar una señal asimétrica a la lámpara, puede presentarse con inversores que proporcionan una señal unipolar de entrada al tanque resonante. Bajo esta condición el tanque resonante necesita tener un factor de calidad muy elevado para poder amortiguar la componente de CD de la señal aplicada al tanque. Un factor de calidad muy grande ocasiona el tener elementos de valor grande y un mayor manejo de energía, lo cual tiene por consecuencia baja eficiencia y mayor volumen.

9

Además de estos requisitos, debido a cuestiones económicas resulta recomendable utilizar el menor número de elementos en el tanque resonante. En particular, hay que limitar el número de inductancias al mínimo, debido a que son los elementos de mayor costo y tamaño. En la realización de este trabajo se propone que el tanque resonante además de filtrar la señal proveniente del inversor para proporcionar ondas de voltaje y comente prácticamente senoidales, tenga la capacidad de elevación de voltaje, de modo que pueda proporcionk con un tanque resonante y una frecuencia de conmutación, tanto el voltaje de encendido como la potencia en estado estable de la lámpara.

36


2.2.2.2 Analisis de las combinaciones de los elementos de tanques resonantes

Para realizar el análisis de los tanques resonantes como primer paso debe de analizarse todas las posibles combinaciones de tanques resonantes. En la figura 2.9 se presentan las posibles combiaaciones que pueden adoptar los elementos del tanque resonante. En esta figura cada cuadro puede ser un tanque resonante independiente sene o paralelo, o bien, un solo elemento inductivo o capacitivo.

Figura 2.9. Posibles combinaciones de los elementos del tanque resonante, entre la señal a filtrar y la lámpara

El arreglo de la figura 2.9a (tanque resonante en sene con la lámpara) cumple con el requisito de limitar la comente, ya que la impedancia del tanque resonante puede limitar la comente de descarga de la lámpara, pero no proporciona ninguna forma de elevar el voltaje con que se alimenta al tanque. Por lo tanto, el encendido de la lámpara no es posible, ya que queda limitado al voltaje de alimentación.

Por otra parte, en el arreglo de la figura 2.9b, tampoco es posible elevar el voltaje, ya que el tanque resonante está en paralelo con la carga como con la fuente de alimentación; además no proporciona ningún medio para limitar la comente de descarga.

En el arreglo de la figura 2 . 9 ~ es posible limitar la comente de descarga. Sin embargo, durante el encendido la lámpara se comporta como un circuito abierto, lo cual impide que circule la. comente resonante que puede proporcionar el voltaje de encendido adecuado para la lámpara, debido a que la impedancia del tanque resonante que limita la comente de descarga se encuentra en sene con la carga que en este caso es la lámpara.

37


Para los requerimientos del balastro, el arreglo de la figura 2.9d es el ideal, ya que cumple con todos los requisitos. Una de las impedancias limita la comente de descarga y la otra proporciona el voltaje de encendido. En la figura 2.10 se muestran las posibles combinaciones de tanques resonantes derivados de la figura 2.9d.

(e) (f) (9) Q (h)

33 (i) ti)

Figura 2.10. Tanques resonantes derivados de la figura 2.9d

De las combinaciones posibles, en primer término se eliminan las que utilizan cuatro o más elementos por considerar el número excesivo e innecesario. Las únicas combinaciones que resultan recomendables de las presentadas en la figura 2.10 son la (a), (c) y (g). Las combinaciones (h) y íj) no resultan recomendables pues estabilizan la descarga del arco con k~ capacitor y el resto de las combinaciones se rechazan por utilizar dos inductancias.

De las combinaciones marcadas como viables, la combinación (a) nunca ha sido reportada en la literatura, la (c) se conoce como tanque LCC y la (8) se conoce como tanque resonante LC paralelo. En [SI se presenta un análisis completo sobre tanques resonantes.

Es posible realizar un Yálisis similar para las combinaciones derivadas de la figura 2.9e, esta combinación es muy similar a la de la figura 2.9 pero con elementos extras en serie con la lámpara. La única combinación recomendable con 3 elementos (para disminuir costos) sena la de la figura 2.11 conocida como inversor de impedancias capacitivo ( 1 1 ~ ) [91.

38

Balastros para Lámparas de Descarga Capitulo 2

Figura 2.1 1. Tanque resonante derivado de la figura 2.9e (inversor de impedancias capacitivas)

En este capítulo se presentaron las principales características que deben tener los balastros, se mencionaron,diversos circuitos tradicionales de alimentación para lámparas de descarga, así como algunos circuitos de encendido. Se presentaron los principales inversores resonantes, así como las características y requisitos que deben tener los tanques resonantes para lámparas de descarga, de forma tal que con el tanque resonante se proporcione tanto el voltaje de encendido como la potencia adecuada a la lámpara. En el siguiente capítulo, se presenta el diseño y análisis matemático de tanques resonantes adecuados para el manejo de lámparas de alta intensidad de descarga.

39

Capítulo 3

Análisis v Diseño de Tanaues Resonantes

En este capítulo. se realiza el análisis y diseño de los tanques resonantes seleccionados en el capítulo anterior como adecuados para el manejo de lámparas de alta intensidad de descarga. Se presenta además, el análisis matemático realizado al tanque resonante LCC, así como los resultados de simulación obtenidos para los diseños proporcionados por el análisis matemático. Es presentado el análisis matemático para tratar de conseguir conmutación a corriente cero en los interruptores con el tanque resonante LCC, y los resultados de simulación para los diseños obtenidos con dichos análisis. De igual manera, se muestran los análisis matemáticos, y los resultados de simulación del tanque resonante denominado inversor de impedancias capacitivas (IIC).

3.1 TANQUE RESONANTE LCC

En [3] y en [lo] se presenta un análisis completo del tanque resonante LC paralelo, en donde se menciona que aún y cuando es posible lograr una elevación del voltaje para conseguir el encendido de una lámpara de descarga, este tanque resonante presenta ciertas desventajas que no lo hacen muy adecuado para el manejo de lámparas de alta intensidad de descarga, como lo es, el que la comente de entrada del tanque resonante siempre debe ser mayor que la comente en la carga. De ahí que resulta recomendable el uso de tanque LCC, ya que éste se comporta como un tanque LC paralelo en el encendido y se puede comportar como un tanque LC serie en estado estable. Además, para el caso de aplicación de voltaje de encendido y potencia en estado, estable, con una kecuencia de conmutación el número de variables es reducido si se utiliza un tanque LC paralelo.

Analisis y Diseño de Tanques Resonantes Capitulo 3

Por otra parte, el tanque LCC es muy similar al tanque LC paralelo con la excepción de que intega un condensador extra en serie con la bobina resonante. Este condensador tiene dos funciones en el tanque resonante, por un lado es un filtro de la componente de CD de la señal de entrada al tanque, lo cual es muy útil para todas aquellas topologías que proporcionan una señal unipolar, como el amplificador clase D y por otra parte aumenta el número de variables a manipular con lo cual la topología permite un mejor manejo para cumplir con todos los requisitos deseados, ya que para el caso de manejo de lámparas de alta intensidad de descarga se desea que el tanque proporcione tanto un elevado voltaje para el encendido de la lámpara, como que además proporcione la potencia adecuada en estado estable sin necesidad de realizar un cambio de frecuencia.

3.1 .I Análisis matemático del tanque resonante LCC

El análisis aplicado a los tanques resonantes en este trabajo es un análisis fasorial basado en la componente fundamental de la señal cuadrada aplicada al tanque resonante. Es decir, se supone que la onda que genera el inversor en la entrada del circuito tanque resonante, es perfectamente senoidal y de valor igual al del armónico fundamental de la onda cuadrada real ( al valor pico). Debido a que se va a emplear la aproximación del armónico fundamental, la Única diferencia entre los diversos inversores resonantes se halla en el circuito tanque resonante empleado, ya que todas la topologías de inversores de alta frecuencia general finalmente una onda cuadrada o cuasicuadrada que puede aproximarse por su componente fundamental [1 11. DGrante el análisis matemático se trabaja Únicamente con magnitudes, sin considerar el ángulo de desplazamiento de las distintas señales del circuito.

El análisis matemático del tanque LCC, se basa en la figura 3.1, en donde se observa que el circuito equivalente del tanque resonante LCC dependerá del estado de la lámpara, ya que si la lámpara se encuentra apagada ésta se comporta como un circuito abierto (figura 3.la). Por otra parte, cuando la lámpara se encuentra encendida, se presenta un voltaje y una comente constante y en fase entre sus terminales, por lo cual ésta puede ser representada como una resistencia con un valor fijo (figura 3.lb).

Figura 3.1. Circuitos equivalentes del tanque resonante LCC, a) para lámpara apagada; b) para lámpara en estado estable

41

Análisis y Diseño de Tanques Resonmics Capitulo 3

Para el análisis del estado de preencendido (figura 3.la) aplicando un divisor de voltaje tenemos que:

(3.1) pol = IV1( XCP 2 2 + (XL - XCS - XCP) Rp

en donde Rp representa las resistencias parásitas del circuito. VI representa la fundamental del voltaje aplicado al tanque resonante, XL, Xcs y Xcp representan las reactancias inductivas y capacitivas respectivamente del circuito. La ganancia del tanque resonante durante este estado está dada por la siguiente ecuación:

De la definición del factor de calidad [3] del tanque se sabe que:

XL = QReq (3.3)

En donde Req representa la parte real del paralelo entre RL y Xcp de la figura 3.lb y está dada por:

R L x C ~ ~ 2 2 Req =

RL +Xcp

Al final del trabajo, en el anexo se muestra el desarrollo de la ecuación (3.4). Sustituyendo la ecuación (3.3) en la ecuación (3.2) y despejando Xcs tenemos que:

M XCS = QReq - Xcp -

(3.4)

(3.5)

Para analizar el circuito-equivalente del tanque resonante cuando la lámpara se encuentra en estado estable nos basaremos en la figura 3.2, en donde se observa que este circuito puede ser reducido a un simple divisor de voltaje. Las impedancias están divididas en una parte real (parte resistiva) y una parte imaginaria (parte reactiva). De la simplificación del circuito del tanque resonante LCC de la figura 3.2 se observa que:

Xce=Xcs+Xcel (3.6)

y que: X=XL-Xce (3.7)

42

Cauítulo 3 Análisis v Diseño de Tanaues Resonantes

además de que: RL’xC~

R L ~ + xcp 2 Xcel =

representa la parte imaginaria del paralelo entre RL y Xcp. Al final de este trabajo, en el anexo, se muestra el desarrollo de la ecuación (3.8)

De la definición de potencia se sabe que:

9, = I L ~ R L (3.9)

Por lo que para el circuito utilizando valores efectivos se tendrá que, la potencia efectiva proporcionada a la lámpara está dada por:

V 0 2 PL =- 2Req

(3.10)

Figura 3.2. Simplzjkacibn del tanque.resonante LCC en estado estable

Aplicando un divisor de voltaje al circuito simplificado del tanque resonante LCC (figura 3.2d ) se tiene que:

(3.11)

43

Análisis y Diseño de Tanques Resonantes Capítulo 3

Por lo que elevando (3.1 1) al cuadrado y sustituyéndolo en (3.10) se encuentra que la potencia promedio en la lámpara está dada por:

en donde:

v12q p L = 2

Re q Req2 + X2

4=

(3.12)

(3.13)

Ahora bien, sustituyendo (3.3,3.6 y 3.7) en (3.13) y despejando Xcs se encuentra que:

(3.14)

Por lo que resolviendo el sistema de ecuaciones formado por (3.5) y (3.14) se halla la siguiente ecuación:

+Xcp-Xcel=O M

(3.15)

la cual es una ecuación cuyas variables desconocidas son Xcp y M. Esta ecuación es una función trascendental en la que no se puede despejar una variable en función de la otra, sino que es necesario el uso de métodos numéricos para hallar su solución. Esta ecuación es resuelta por medio de un programa realizado en el paquete “Mathematica” con el cual se obtiene la máxima ganancia posible para este tipo de tanque resonante así como el valor de los componentes de este tanque. La máxima ganancia posible para un tanque resonante LCC se producirá cuando X~=Xcs+Xcp es decir, cuando el circuito equivalente en el estado de pre-encendido se encuentre en resonancia, por lo que sustituyendo esta ecuación en (3.2) tendremos que la ganancia máxima está determinada por:

(3.16)

A su vez, el valor del capacitor Xcs estará dado por:

XCS = QReq-Xcp (3.17)

En la ecuación (3.17) se observa que el valor mínimo de Q estará determinado por:

(3.18)

44

Análisis y Disetio de Tanques Kcsonantes Capímlo 3

En el anexo 1, se presenta el programa realizado en el paquete “Mathematica” para el cálculo de los elementos del tanque resonante LCC, diseñado para presentar máxima ganancia en el estado de preencendido.

3.1.2 Procedimiento de diseño del tanque resonante LCC

Basándose en el análisis matemático realizado previamente al tanque resonante LCC, el algoritmo principal del programa efectuado en “Mathematica” para el diseño de un tanque resonante LCC para lámparas de alta intensidad de descarga es el siguiente:

1 Se establecen las especificaciones del diseño deseado, como son: el voltaje de alimentación, la frecuencia de conmutación del inversor, la potencia deseada del diseño y la resistencia de la lámpara. Se determina la ganancia máxima que se obtendrá con los datos de entrada. Con el valor de la ganancia máxima obtenida, se determina el valor del condensador CP. Se encuentra el valor del condensador Cs por medio de la ecuación (3.17) y el valor de la inductancia XL por medio de la definición del factor de calidad. Se evalúa que los valores obtenidos sean valores “razonables” (dentro del rango comercial y no valores negativos) para su implementación en la práctica.

2 3

4

5

3.1.2.1 Diseño de un tanque resonante LCC para una lámpara de 35W

A continuación se muestra un ejemplo de diseño de un tanque resonante para que proporcione un alto voltaje de encendido para una lámpara de halogenuros metálicos de 35W, y que además proporcione un voltaje adecuado en estado estable, para que se le pueda proporcionar la potencia adecuada a la lámpara. Se desea utilizar una frecuencia de conmutación de 100 Khz, con el fin de evitar la presencia de resonancias acústicas en la lámpara [3], y un voltaje de alimentación de 180 Volts en el bus de CD del inversor de alta frecuencia, por lo que los datos del diseño serán los siguientes cuando se estima un valor de las resistencias parásitas de 10 ohms:

Vcc = 180V P=35W RL = 232 ohms F=lOOKhz

De donde se obtiene utilizando el programa efectuado en “Mathematica” los siguientes valores para los elementos del tanque resonante LCC:

L = 900uH c p = 3.7nF cs= l lnF

Con lo cual se obtiene una ganancia de aproximadamente: M = 42.

45


3.1.2.2 Simulación del tanque resonante LCC

Para verificar la validez del diseño matemático efectuado al tanque resonante LCC, se procedió a simular el diseño del circuito tanque LCC obtenido, en el simulador Pspice, obteniéndose los siguientes resultados de simulación:

rm". -Y< o< m u . 100". o "IIIL:,) 'mu'

7l.X

Figura 3.3. Voltaje de encendido para el tanque resonante LCC

En la figura 3.3 se muestra el voltaje que se obtiene para el estado de preencendido de la lámpara, cuando a ésta se le considera como un circuito abierto, es decir, una resistencia de gran valor. Se observa que el tanque resonante LCC para este estado proporciona un voltaje lo suficientemente elevado (aproximadamente 8 kV) como para encender cualquier tipo de lámpara de alta intensidad de descarga (HID). En la figura 3.4 se muestra el voltaje de salida del tanque resonante LCC para el estado estable de la lámpara, para este estado se ha considerado a la lámpara como una resistencia con un valor fijo. En la figura se observa que el tanque resonante LCC proporciona un valor adecuado de voltaje (aproximadamente 100 Vrms) para el manejo de la lámpara en el estado estable.

Figura 3.4. Voltaje en estado estable del tanque resonante LCC

46

Análisis v Diseño de Tanaues Resonantes Caoítulo 3

3.2

Debido a que una de las piezas claves en el estudio y diseño de los inversores resonantes es conseguir que las pérdidas de conmutación en los interruptores sean mínimas, es deseable realizar un análisis para tratar de conseguir conmutación a corriente cero (ZCS) en los interruptores. Una forma de conseguir que se obtenga conmutación a corriente cero es consiguiendo que el tanque resonante se encuentre en resonancia para el estado estable. Para lograr esto se necesita que la parte imaginaria del tanque LCC sea igual a cero, es decir, que la parte inductiva y capacitiva del tanque tengan el mismo valor pero con signo contrario (X, = Xce).

ANÁLISIS DEL TANQUE RESONANTE LCC CON ZCS

Figura 3.5. a)Circuito equivalente del tanque LCC con conmutación a corriente cero, b) formas de onda de voltaje y corriente en los interruptores

En la figura 3.5b se muestran las formas de onda de las señales del tanque resonante (Vo e I) y se observa que si el circuito resonante se encuentra en resonancia entonces la comente de entrada al tanque tendrá una evolución senoidal, la cual estará en fase con el voltaje.

3.2.1 Análisis matemático del tanque resonante LCC con ZCS

De la ecuación 3.11 obtenida en el análisis matemático realizado previamente para el tanque resonante LCC durante el estado estable, se observa que, si se hace cero la parte imaginaria del tanque (X), la ganancia del tanque será de uno, con lo cual no se podrá tener el voltaje necesario para lograr el encendido de la lámpara. Como primera conclusión del análisis matemático del tanque LCC con ZCS se tiene que, no es posible logar obtener una alta ganancia para el encendido de la lámpara y aplicar a su vez en estado estable la potencia adecuada a la lámpara con una sola frecuencia de conmutación. Sin embargo, sí es posible conseguir conmutación a corriente cero y aplicar la potencia en estado estable con una sola frecuencia de conmutación. Para lograr esto, igualamos la parte imaginaria del tanque a cero, con lo cual obtenemos la siguiente ecuación:

47


X=XL-Xce=O por lo tanto:

(3.19)

XL=Xce=Xcs+Xcel (3.20)

Sustituyendo (3.3 y 3.8 ) en (3.20) obtenemos:

(3.21) 2 2 2 Xcp (QRL - XCS) - X C ~ R L - XCSRL = O

la cual es una ecuación cuadrática que resolviéndola por fórmula general tenemos que:

RL’ I RL;/RL 2 + 4 x c s ( Q R ~ -Xes) xcp = ~ ( Q R L - XCS) (3.22)

Despejando y considerando el signo positivo de la ecuación, encontramos que el valor de Xcs está dado por:

Sustituyendo (3.4) en (3.10) encontramos que:

ViRL

xcp = ;/zRLp-viz

(3.23)

(3.24)

En esta ecuación todos los elementos son conocidos, por lo que es posible conocer el valor de Xcp. Una vez que se conoce Xcp se puede determinar el valor del condensador Xcs y, el valor de la bobina XL se obtiene de la definición de factor de calidad del filtro (3.3). Sin embargo, el diseño de este tanque resonante está restringido por el voltaje de alimentación ya que para evitar al presencia de una raíz imaginaria en (3.24) este debe ser:

Vi < JZRLP (3.25)

Para el cálculo de los elementos del tanque LCC con ZCS se realizó un programa (2) en el paquete “Mathematical’ el cual se presenta en el anexo al final de este trabajo.

3.2.2 Procedimiento de diseño del tanque resonante LCC con ZCS

La metodología de diseño de un tanque resonante LCC con conmutación a corriente cero, se divide en dos pasos:

48

Análisis y Diseño de Tanques Resonantes Capíiulo 3

Primero se debe de diseñar el tanque LCC de manera que proporcione ZCS y potencia a la lámpara en forma adecuada con base en el análisis matemático realizado previamente. Esto se consigue por medio de un programa efectuado en “Mathematica”, el cual se incluye al final en el anexo. En dicho programa se establecen las especificaciones del diseño deseado, como son el voltaje de alimentación, la frecuencia de conmutación, la potencia del diseño deseado y la resistencia de la lámpara en estado estable. Posteriormente ya que se tiene el valor de los componentes del tanque resonante se debe de encontrar la frecuencia de resonancia para el tanque LCC cuando la lámpara se encuentre apagada, ya que esta frecuencia scrá con la cual el tanque resonante LCC proporcionará la ganancia suficiente de voltaje para encender la lámpara.

9

3.2.2.1 Diseño de un tanque LCC con ZCS para una lámpara de 70 Watts

A continuación se presenta un ejemplo de diseño de un tanque resonante LCC con conmutación a comente cero para una lámpara de halogenuros metálicos de 70 W y una frecuencia de conmutación en estado estable de 100 Khz. Para realizar este diseño se empleó el programa construido en “Mathematica” con las siguientes especificaciones como datos de entrada, cabe mencionar que el valor de Vcc se debe modificar debido a la restricción de la ecuación (3.25) :

RL = 97 ohms vcc = 110v F=100Khz

Los resultados que se obtuvieron como datos de salida, fueron los siguientes:

L = 412uH c p = 5.7nF c s = 7nF F,= 139.8Khz

En donde Fr, es la frecuencia de resonancia empleada para lograr el encendido de la lámpara y F es la frecuencia de conmutación del inversor en estado estable. En la figura 3.6 se muestra el circuito tanque resonante que se obtuvo del diseño.

412uH 7 nF

Figura 3.6. Tanque resonante LCC con conmutaciones a corriente cero diseñado para una lámpara de 70 Wafts

49


3.2.2.2 Simulaciones del tanque resonante LCC con ZCS

Una vez obtenidos los valores de los elementos del tanque resonante LCC con ZCS se obtuvieron los siguientes resultados de simulación en el Pspice: En la figura 3.7 se observa el voltaje de encendido que proporciona el tanque LCC con ZCS diseñado previaente, la frecuencia de conmutación obtenida en el diseño para el encendido de este tanque resonante fue de 139.8 Khz, que es la frecuencia con la cual se logra tener en resonancia al circuito tanque LCC cuando la lámpara presenta una impedancia elevada. En la figura 3.7 se observa que el valor máximo de voltaje es de aproximadamente 4.2 kV, 10 cual es un valor adecuado para lograr el encendido de cualquier tipo de lámpara de alta intensidad de descarga.

Figura 3.7. Voltaje de encendido para un tanque LCC con ZCS

En la figura 3.8 se observan las formas de onda de voltaje y comente del tanque LCC con conmutaciones a comente cero en estado estable. Estas formas de onda se obtuvieron con una frecuencia de conmutación de 100 Khz, que es la frecuencia seleccionada en el diseño para el inversor resonante. En las formas de onda se puede observar que el voltaje de entrada al circuito resonante en el momento de cruzar por cero tiene un valor de comente de aproximadamente cero, con lo cual se logra tener cero pérdidas en las conmutaciones, que es lo que se está buscando con este tipo de diseño.

Con estos resultados obtenidos por medio de simulación en el Pspice, se logra validar los resultados analíticos y por lo tento las ecuaciones de diseño obtenidas previamente.

Los resultados experimentales obtenidos con los diseños para estos tanques resonantes se presentan en el siguiente capítulo.

50

Análisis y Diseño de Tanques Resonantes Capítulo 3 . , b , " I . ~ .............................................................................

-1.m 1

Figura 3.8 Formas de onda de voltaje y corriente del tanque LCC con ZCS

3.3

El tanque resonante IIC denominado en la literatura como inversor de impedancias capacitivo, el cual se muestra en la figura 3.9 es una variante del tanque LC, sólo que el tanque resonante IIC tiene un capacitor en serie adicional, lo cual permite un grado de libertad mayor. Este capacitor adicional nos proporciona una variable más para poder manipular en el diseño del circuito tanque resonante, lo cual es ideal para el caso de diseños con una sola frecuencia de conmutación y en el que se desee proporcionar tanto un voltaje de encendido como una potencia adecuada a la lámpara.

ANhISIS DEL TANQUE RESONANTE IIC

Ls cs

Figura 3.9. Tanque resonante IIC

3.3.1 Análisis matemático del tanque resonante IIC

Para realizar el análisis matemático a este tanque resonante, se debe determinar el estado de la lámpara, ya que esto valor de resistencia de la lámpara RL. En la figura 3.10 se observan los circuitos equivalentes obtenidos a partir del estado de encendido o apagado la lámpara. En la figura 3-loa se observa el circuito equivalente

51

Análisis y Diseño de Tanques Resonantes Capitulo 3

del tanque resonante IIC cuando la lámpara se encuentra encendida, por lo que la lámpara se representa por medio de una resistencia de valor bajo, mientras que en la figura 3-10b, se presenta el circuito equivalente del tanque resonante cuando la lámpara se encuentra apagada y presenta una resistencia elevada entre sus terminales, es decir, un circuito abierto.

Figura 3. I O. a) Circuito equivalente del tanque resonante IIC con la lámpara apagada, b) Circuito equivalente con la lámpara encendida

Para el análisis matemático de este tanque resonante, se observa que en el estado de preencendido de la lámpara se tiene el circuito equivalente de la figura 3.10b, y para asegurar el voltaje máximo sobre la lámpara es necesario que: Xep = XL , es decir, el circuito equivalente se encuentra en resonancia.

Para el estado estable se tiene el circuito de la figura 3.10a en donde la potencia en la lámpara está dada por la siguiente ecuación:

A su vez, la comente en la lámpara se determina por medio de un divisor de comente.

(3.27) ILXCP 2 IRL =

JRLZ + (Xep + Xes)

La comente en la bobina está dada por :

IL = v1 dReq2 + (XL - Xce) 2

3.28)

52


por lo que: IL = "1 -JiRo12+x2 (3.29)

siendo: X = XL -Xce (3.30)

En la figura 3.11 se muestran los circuitos equivalentes simplificados del tanque resonante IIC para el estado de preencendido de la lámpara. Sustituyendo las ecuaciones ( 3.27, 3.28,3.29 y 3.30) en la ecuación 3.26 se tiene que:

(ViXcp)2 (3.3 1) RL Po = -.

(Res2 + X2)(RL2 + (Xcp+ X C S ) ~ )

Figura 3.1 1. Circuitos equivalentes simplificados del tanque resonante LCC para la lámpara en estado estable

De la condición del estado de preencendido se tiene que XL = Xcp, por lo que:

X = Xcp - Xce (3.32)

además de que:

R ~ ~ x c p + XcpXcs(Xcp + XCS) Xce = (3.33)

53


R ~ x c p ~ Req =

R L ~ + (xcp + ~ c s ) ~ (3.34)

por lo que sustituyendo estas ecuaciones en la ecuación 3.31 y simplificando la ecuación resultante tenemos que:

V12RL Po = 2xcp2

Del circuito en estado de preencendido se tiene que:

Ven, = IXCP

por lo que: ven, = -xcp Vi RP

P Ven, R xcp = __ Vi

de donde

Despejando Vi de la ecuación 3.35 se halla que:

sustituyendo 3.39 en 3.38 se tiene que:

y haciendo

se obtiene que:

xcp = VencRP

xcp = ‘IVeqRp

(3.35)

(3.36)

(3.37)

(3.38)

(3.39)

3.40)

(3.41)

(3.42)

Despejando Xcp de 3.39 se tendrá que:

54


xcp = “l:jip¿ RL (3.43)

Igualando la ecuación 3.43 con la ecuación 3.38, se tiene que la ganancia del tanque resonante IIC para el estado de preencendido está dada por:

Se sabe que XL=Xcp=QReq por lo tanto:

R ~ x c p ’

RL’ + (xcp+ xes)' Xcp = Q

Despejando Xcs de la ecuación anterior se tiene que:

(3.44)

(3.45)

xcs = J Q R L x ~ ~ - RL’ - xcp (3.46)

Por lo que igualando la ecuación 3.46 a cero, (valor mínimo posible que puede tener XCS, ya que no puede ser negativo) se puede obtener el valor mínimo de Q, que está dado por:

(3.47)

Estas ecuaciones fueron resueltas en el software “Mathematica” para obtener los valores de los elementos de un tanque resonante IIC en función de las condiciones de diseño deseadas. (El programa se encuentra en el anexo 3).

3.3.2 Procedimiento de diseño del tanque resonante IIC

La metodología de diseño del tanque resonante IIC se basa en el análisis matemático realizado previamente al tanque resonante IIC. El algoritmo es el siguiente:

1. Se establecen las especificaciones del diseño deseado, como son: el voltaje de alimentación, la frecuencia de conmutación del inversor, la potencia y la resistencia de la lámpara.

2. Se determina la ganancia máxima que se obtendrá con los datos de entrada (ecuación 3.44).

3. Con el valor de la ganancia máxima obtenida, se determina el valor del condensador Xcp (ecuación 3.43).

55


4. Se encuentra el valor del condensador Xcs por medio de la ecuación (3.46) y el valor de la inductgncia XL la cual es igual al valor de Xcp

5. Se evalúa que los valores obtenidos sean valores "razonables" para su implementación en la práctica, y que no aparezcan valores negativos para algún elemento del tanque resonante.

3.3.2.1 Diseño de un tanque resonante IIC para una lámpara de 35 W

Para verificar el análisis matemático realizado al tanque resonante IIC, a continuación se presenta un ejemplo de diseño para una lámpara de alta intensidad de descarga del tipo de halogenuros metálicos de 35 Watts de potencia.

Los datos de entrada al programa son los siguientes:

Vcc = 180V PL = 35w RL = 232 ohms F = lOOKhz

El valor de la resistencia de la lámpara se obtuvo, conociendo el valor de la potencia de la lámpara y estimando el voltaje en estado estable que presentan las lámparas de alta intensidad de descarga. Con estos valores como datos de entrada se obtuvieron los siguientes valores para los elementos del tanque resonante IIC.

Ls = 664uH Cp = 3.8nF . Cs = 23&

Con lo cual se obtiene una ganancia aproximada de 40.

3.3.2.2 Simulación del tanque resonante IIC

En la figura 3.12 se muestra el circuito tanque resonante IIC que se simuló en Pspice. El valor de la resistencia de la lámpara RL se colocó de acuerdo al estado de la lámpara que se simuló (232 ohms cuando se considera a la lámpara encendida, y de un megaohms cuando se considera a la lámpara apagada).

Lc cs

Figura 3.12. Tanque resonante IIC simulado para una lámpara de 35 Watts

56

LS

'Y,, ta:ia)n 0

%"S,E SWLh m 5 a s I r a D C rní*z S"MZ , ......................................... , ................ ............... , ........... +mí,-


En este capítulo se presentaron en forma detallada los análisis matemáticos tanto del tanque resonante LCC como del tanque resonante IIC, además se mostraron los resultados de simulación obtenidos, con los cuales se han validado los análisis matemáticos efectuados. En el siguiente capitulo se presentarán ejemplos de diseño con el fin de verificar en forma práctica los análisis matemáticos efectuados a los diferentes tanques resonante.

58

Capítulo 4

Simulaciones y Resultados Experimentales

En este capítulo, se realizan diseños de balastros electrónicos para lámparas de alia intensidad de descarga de difrentes potencias, se presentan los resultados de simulación y los resultados experimeniales, con los cuales se avalan los difrentes análisis maiemúticos efectuados en el capitulo tres. Se presenian además, los resultados de las dijerentes estrategias utilizadas para afrontar el fendmeno de resonancias acústicas. Al final se implementa un balastro electrónico simplijicado para el manejo de lámparas de halogenuros meiúlicos, con el cual no se presentan resonancias acústicas. El balastro cuenta con un circuito de protecciones para el caso de no existencia de lámpara, o bien para prevenir el reencendido en caliente de la lámpara, lo cual provocaría el daño del balasiro, debido a que el tanque resonante permanece en resonancia proporcionando un alto voltaje de salida por un tiempo indefinido, algo que los interruptores del inversor resonante no pueden soportar.

4.1

Con el fin de obtener resultados experimentales de las lámparas de alta intensidad de descarga, con los cuales se puedan validar experimentalmente los resultados teóricos y de simulación obtenidos hasta este momento se desarrolló un banco de pruebas. Como se muestra en la figura 4.1 el banco de pruebas está constituido básicamente por un transformador de aislamiento seguido de un autotransformador, que permite obtener una voltaje alterna de valor eficaz ajustable y con aislamiento galvánico. A continuación se emplea un circuito rectificador y un filtro pasabajas con el fin de conseguir un nivel

BANCO DE PRUEBAS DE LAMPARAS DE DESCARGA

Simulaciones y Resultados Experimentales Capitulo 4

de voltaje continuo, que se puede ajustar por medio del autotransfomador, dándole mayor versatilidad al equipo. El voltaje del bus de CD se emplea como entrada para un inversor de alta frecuencia implementado por medio de interruptores MOSFET. Se dispone de tres topoiogías posibles, una correspondiente al inversor puente completo, otra ai medio puente típico y una más correspondiente al inversor asimétrico.

El siguiente bloque es el circuito tanque resonante. Se ha diseñado el circuito tanque resonante de modo que sea capaz de proporcionar tanto un voltaje elevado para el encendido como un voltaje adecuado para el estado estable de la lámpara empleando solamente una frecuencia de conmutación.

El Último bloque corresponde al circuito de control, el cual se ha implementado por medio de un circuito integrado tipo TL494 para generar las señales de control de las compuertas de los transistores MOSFET del inversor. Se dispone de una señal de control de la frecuencia de conmutación. Para la excitación de la compuerta de los transistores se emplea un circuito integrado del tipo IR21 10 de International Rectifier.

CONTROL u Figura 4.1. Banco de pruebas para lámparas de alta intensidad de descarga

La figura 4.2 muestra el diagrama eléctrico del banco de pruebas. Como se muestra en el esquema, con los conectores A y B se permite seleccionar el tipo de topología inversora a emplear, mientras que con el conector C se selecciona el tipo de tanque resonante a emplear. Los capacitores utilizados en el circuito tanque resonante fueron del tipo MKF' con voltajes superiores a 1 kV. Las bobinas utilizadas fueron construidas con hilo de litz, para evitar problemas del efecto piel, además para así tener una resistencia serie baja y poder lograr voltajes de encendido elevados. Se diseñaron y construyeron bobinas para diferentes valores de frecuencias de funcionamiento y se consiguieron voltajes de encendido hasta de 3,300 voltios de pico.

60

Simulaciones y Resultados Experimentales Capítulo 4

1

COM v== HI a

CONECTOR W C I

AT IR2110 V,

Figura 4.2. Diagrama elicirico del banco de pruebas

4.2 DISENO DE UN BALASTRO ELECTR~NICO PARA UNA LÁMPARA DE HALOGENUROS METÁLICOS DE 35 WATTS

A continuación se presenta el diseño y los resultados experimentales de un balastro electrónico, para la alimentación de una lámpara de halogenuros metálicos de 35 Watts con un voltaje del bus de continua de 180 V y una frecuencia de conmutación de 100 Mz. Se desea utilizar un tanque resonante del tipo LCC. Los valores de diseño obtenidos utilizando el programa elaborado en “Mathematica” fueron los siguientes:

Ls = 900uH Cp = 3.7nF Cs = 1lnF

Una vez obtenidos los valores de ¡os elementos del tanque resonante se procediá a la simulación del circuito obtenido. En la figura 4.3 se presenta el circuito del balastro electrónico para una lámpara de balogenuros metálicos de 35 Watts.

En la figura 4.4 se presentan los resultados de simulación obtenidos del circuito diseñado. En dicha figura se observa el voltaje de encendido de la lámpara.

61


1 T C

Figura 4.3. Balastro electrónico para lámpara de halogenuros metálicos de 35 Watts

Como se puede observar (figura 4.4), este valor del voltaje de encendido (aproximadamente 8 kV) garantiza que la lámpara encenderá sin ningún problema, ya que el voltaje de encendido de las lámparas de alta intensidad de descarga se encuentra entre 1.5 y 3 kV dependiendo de la potencia de la lámpara.

8HY ?.... ~~ ............. ~ .... ~ ................. ~~ ...............

Figura4.4. Voitaje de encendidopara una lámpara de 35 Watts

En la figura 4.5 se puede observar la forma de onda del voltaje en la lámpara para el estado estable, es decir, la forma de onda que se espera presente el circuito en régimen permanente. De la figura 4.5 se puede apreciar que el diseño del balastro electrónico proporciona una potencia adecuada a la lámpara en estado estable.

62


Figura 4.5. Forma de onda del voltaje de la lámpara en estado estable

Una vez diseñado y simulado el balastro electrónico se procedió a su implementación física. En la figura 4.6 se presentan las formas de onda de voltaje y corriente en la lámpara, para el estado estable de la misma, que se obtuvieron realizando mediciones en el laboratorio. Cabe mencionar que en todas las pruebas realizadas en el laboratorio, se utilizaron lámparas del tipo "Mastercolor PAR-30 L de Phillips".

Run: 10.OMSIS Sample --I [---- T---

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 4.6. Formas de onda de voltaje y corriente de la lámpara en estado estable, con un tanque resonante LCCpara una potencia de 35 Watts

Como se puede observar en las formas de onda de corriente y voltaje de la figura 4.6, el diseño del balastro electrónico proporciona la potencia en forma adecuada a la lámpara, tal y como se esperaba según el diseño realizado. Sin embargo, este primer diseño que se llevó a la práctica presentó un problema, resonancias acústicas. Estas resonancias

63


provocan que el haz de luz de la lámpara no permanezca constante, sino que presente fluctuaciones irregulares e intermitentes. Estas fluctuaciones resultan ser muy molestas para la vista, además, el voltaje en la lámpara no permanece constante, sino que es oscilante. Por lo que debe ser necesario el empleo de alguna técnica para evitar la presencia de resonancias acústicas en a lámpara.

4.2.1 Diseño de un balastro electrónico para una lámpara de 70 Watts

Con el fin de validar el análisis matemático realizado al tanque resonante LCC, a continuación se presenta el diseño de un balastro electrónico para la alimentación de una lámpara de halogenuros metálicos de 70 W con un voltaje del bus de continua de 180V y una frecuencia de conmutación de 100 N z . Los valores de diseño obtenidos utilizando el programa elaborado en "Mathematica" (ver apéndice 1) fueron los siguientes:

Ls = 420uH Cp = 8nF Cs = 24nF

En la figura 4.7 se presenta el voltaje de encendido en la lámpara que se obtiene para el tanque resonante LCC con los valores de los elementos para este diseño dado, como se observa en la figura el balastro presenta un voltaje de aproximadamente 5 kV con el cual se logra un adecuado encendido de la lámpara de descarga.

Figura 4.7. Voltaje de simulación del encendido en la lámpara (con un tanque LCCpara 70 W)

Por su parte, la figura 4.8 nos muestra el voltaje en la lámpara cuando ésta se encuentra funcionando en régimen permanente. Se puede observar que con este voltaje se proporciona un manejo adecuado a la lámpara.

64


........ .. ~ . . ~ ~ . - ~ ~ ..., ~__.~._.~.._ .... ~ ....... ~ ................................... 212~1 216uS 220US 224"s 228~1 232"s 236~s 240ur

Time

Figura 4.8. Voltaje de simulación de la lámpara en estado estable

Después de haberse obtenido los resultados de simulación para el diseño de este balastro electrónico, se implementó el mismo en el banco de pruebas del laboratorio. previamente descrito, para obtener los siguientes resultados experimentales.

En la figura 4.9 se pueden observar las formas de onda tanto de voltaje como de corriente en la lámpara que se obtuvieron para este balastro electrónico en el laboratorio, Cabe mencionar que no hubo problemas para el encendido de la lámpara ya que ésta se enciende con un voltaje aproximado de 1 kV, el cual es muy inferior al que puede proporcionar el balastro diseñado.

Tek Run: 1 0 . O M S l s Sample L T ----1

. ~ , , , . , , , . , , , , , , , , M 5.Oops Ch3 J 64 Om6

4.9. Formas de onda de voltaje y corriente para una lámpara de 70 Watts

65


El principal objetivo que se tenía al principio era el de encender correctamente la lámpara. El balastro electrónico proporcionó un voltaje adecuado de encendido para la lámpara, por lo que este primer objetivo se cumplió. Posteriormente, se presentó el fenómeno de resonancias acústicas, por lo cual se buscó una solución a dicho problema. Las posibles soluciones previstas a este problema fueron seleccionar otra frecuencia de conmutación y/o buscar una técnica que nos permita eliminar este fenómeno. El fenómeno de resonancias acústicas se presentó en las pruebas realizadas tanto al tanque resonante LCC como al tanque resonante IIC, con lo cual se observó que este fenómeno es provocado exclusivamente por la relación entre la frecuencia de conmutación del balastro electrónico y las características físicas y químicas de las lámparas de descarga.

4.3

Las técnicas tradicionales recomendadas para atacar el problema de resonancias acústicas son básicamente dos. La primera consiste en realizar una modulación en frecuencia [3, 5, 71 y la segunda en trabajar a una frecuencia en la cual no se presenten resonancias acústicas [6,7].

SOLUCIÓN AL PROBLEMA DE RESONANCIAS ACÚSTICAS

4.3.1 Método de modulación en frecuencia

Este método es aplicado en [5] y consiste básicamente en realizar una modulación en frecuencia de modo que se distribuya la potencia de la lámpara en un amplio espectro de frecuencia, de forma tal que no se aplique la potencia total sólo en una frecuencia. Para realizar esta modulación se debe variar la frecuencia de conmutación del balastro electrónico, desde un valor mínimo del 10% de la frecuencia de conmutación a uno máximo del 15 % de la frecuencia de conmutación [7].

Para el diseño efectuado, la frecuencia se variará desde 83 kHz hasta 100 kHz. Esto se logra por medio de un circuito que provoca que la resistencia que fija la frecuencia en el circuito oscilador varíe desde un valor mínimo a uno máximo, de tal manera que la frecuencia proporcionada por el circuito produzca el barrido de frecuencia deseado.

En la figura 4.10 se muestran las formas de onda de voltaje y corriente en la lámpara en estado estable para una lámpara de halogenuros metálicos de 35 Watts, cuando se realiza una modulación en frecuencia. Este balastro electrónico no presenta el fenómeno de resonancias acústicas, gracias a la modulación en frecuencia que se ha provocado sobre el inversor de alta frecuencia.

66

Simulaciones y Resultados lixperimentales Capitulo 4

un: 10.0MS1s H i Res -~ ..-T. .. 4

Figura 4.1 O. Formas de onda de voltaje y corriente para una lámpara de halogenuros metálicos de 35 Watts cuando SE aplica una modulación en

fiecuenciu

4.3.2 Método de cambio a una frecuencia de no resonancia

Este método es recomendado en [7] y consiste en tratar de conocer las frecuencias a las cuales las lámparas de descarga no presentan el fenómeno de las resonancias acústicas. Esto se puede lograr realizando un barrido de frecuencia con el fin de conocer experimentalmente las frecuencias de no resonancia. En [6 , 71 se menciona que en las bandas de los 22-28 kHz y en frecuencias superiores a los 350 kHz no se presenta el fenómeno de resonancias acústicas.

Con el fin de comprobar este método, se realizó el diseño de un balastro electrónico para una lámpara de halogenuros metálicos de 70 Watts con una frecuencia de conmutación de 24 kHz. El voltaje de alimentación del bus de CD es de 18OV, empleando estos valores como datos de entrada y por medio del programa en Mathematica del anexo 1, se obtienen los siguientes valores para el tanque resonante LCC:

Ls = 1.75 mH Cp = 34 nF

En la figura 4.1 1, se muestran las formas de onda experimentales de voltaje y corriente, obtenidas en el laboratorio para una lámpara de halogenuros metálicos de 70 Watts, con una frecuencia de conmutación de 24 kHz.

Cs = 100 nF

61


Figura 4.11. Formas de onda de voltaje y corriente de la lámpara de 70 Watts con unafrecuencia de conmutación de 24 kHz

Con este método se logra aplicar un voltaje de encendido adecuado para encender la lámpara, además de que en estado estable el fenómeno de resonancias acústicas desaparece, es decir, ya no aparecen fluctuaciones en el haz de luz de la lámpara, con lo cual se han verificado ambos métodos de eliminación de resonancias acústicas.

Ambos métodos se probaron tanto para el tanque resonante LCC como para el tanque resonante IIC, obteniéndose en ambos casos resultados exitosos, con lo cual se verifica que es indistinto utilizar un tipo de tanque resonante o el otro.

4.4

De los análisis y diseños realizados a los tanques resonantes tanto LCC como IIC, se concluye que el valor de la ganancia máxima posible está en función del voltaje de alimentación del bus de CD del inversor de alta frecuencia, de la potencia, y de la resistencia equivalente de la lámpara en estado estable. Por otra parte, para el caso de diseño, la frecuencia de conmutación no influye en la ganancia máxima posible que el tanque resonante proporciona a la lámpara de descarga.

En la figura 4.12 se puede observar que si se fija un valor de diseño de voltaje de alimentación del bus de CD del inversor se obtiene una ganancia determinada. Si el valor de diseño del voltaje de alimentación del bus de CD se aumenta, entonces el valor máximo de la ganancia proporcionada por el tanque resonante en el encendido de la lámpara se incrementa en forma proporcional.

RESUMEN DE LOS TANQUES RESONANTES

68


Ganancia _ _ - - 70 60

50 40 30 20

10

-

- _ _ - -

Ganancia llC35 Ganancia LCC35

Ganancia LCC70 Ganancia llC70

vcc 140 160 180 200 220 240 260 280

Figura 4.12. Variación de la ganancia del voltaje de encendido vs. voltaje de alimentación Vcc para difrentes potencias en la lámpara

Se observa en ambas gráficas que el valor de la ganancia obtenida en el tanque resonante varía en forma proporcional al voltaje de alimentación del tanque, y que esta variación es igual en ambos tipos de tanques resonantes. Se observa también que el valor de ganancia proporcionada por el tanque LCC es aproximadamente la misma que proporciona el tanque resonante IIC con las mismas condiciones de diseño. Otro valor que afecta la ganancia proporcionada por el tanque resonante en el encendido de la lámpara, es el valor de la resistencia equivalente de la lámpara. Sin embargo, este es un parámetro que no se puede manipular en el diseño de un balastro electrónico.

En las gráficas se puede observar que con potencias mayores la tendencia del valor de la ganancia proporcionada por el tanque resonante disminuye. Por lo cual para potencias mayores se debe de aplicar un voltaje de alimentación más elevado, para así lograr el voltaje de encendido adecuado para una lámpara de alta intensidad de descarga.

4.5

Del análisis matemático realizado en el capítulo anterior; se concluyó que no es posible lograr proporcionar con una sola frecuencia de conmutación, tanto el voltaje de encendido, como la potencia adecuada y, además presentar conmutación a corriente cero en un tanque resonante, por lo que se hace necesario la utilización de dos frecuencias de conmutación: una para lograr el encendido de la lámpara y otra para proporcionar tanto la potencia adecuada, así como presentar conmutación a corriente cero en los interruptores del inversor resonante.

En la figura 4.13 se muestra el circuito utilizado para realizar el cambio de frecuencia de conmutación del circuito inversor resonante con el fin de lograr obtener un balastro con conmutación a corriente cero (ZCS) en los interruptores del inversor.

DISENO DE UN BALASTRO ELECTRÓNICO CON ZCS

69

Capitulo 4 Sirnulacioncs y Resultados Experimeritales

TL494 ‘O TL494 u

Figura 4.13. Circuito empleado para el cambio de frecuencia de conmutación

Como se puede observar en la figura 4.13, la idea fundamental del cambio de frecuencia consiste en tener dos resistencias, de modo que con cada resistencia equivalente se tenga una frecuencia de conmutación diferente. Cuando el interruptor (Swl) se encuentra abierto la resistencia equivalente está determinada por la suma de las resistencias R1 y W , mientras que cuando el interruptor se encuentra cerrado la resistencia equivalente está determinada únicamente por el valor de la resistencia R2.

El cambio de frecuencia se realiza una vez que la lámpara ya encendió, por lo que el interruptor se cierra hasta que el sensor de la corriente en la lámpara indica que ésta se encuentra encendida. Como sensor de la corriente de encendido de la lámpara se emplea un transformador de corriente con un núcleo toroidal, presentando un voltaje proporcional a la corriente que circula por la lámpara.

4.5.1 Balactro electrónico con ZCC para una lámpara de 70W

En el capítulo anterior se presentó el análisis y la metodología de diseño de un balastro electrónico con conmutaciones a corriente cero para un tanque resonante LCC. Con base en dicha metodología se desarrolló un programa (P3) en “Mathernatica” el cual se presenta en el anexo tal. Empleando dicho programa encontramos que los valores de los elementos del tanque resonante para un balastro electrónico con ZCS para una lámpara de halogenuros metálicos de 70 Watts empleando como datos de entrada los siguientes valores:

vcc=11ov

son los siguientes:

F = 100 kHz RL = 97 ohms

70


Cp = 5.1 nF c s = 7 n F Fr = 139.8 kHz Ls = 412 iiH

En la figura 4.14 se observa el voltaje de simulación que se obtiene para el encendido de la lámpara utilizando este tanque resonante y conmutando el inversor a una frecuencia de resonancia de 139.8 kHz. Se puede observar en dicha figura que el tanque resonante proporciona un voltaje superior a los 4 kV adecuado para el encendido de la lámpara.

&k"+ ........ ~~ ...... ~ .......... ~ ......,... ~~ ......... ~~.~ ....... ~~ ....... l . ~ ~ .............. i O* IWUS m u 0 m u r dmua Emus

Time

Figura 4.14. Voltaje de encendido de un balastro con ZCS

En la figura 4.15 se observa el voltaje y la corriente en los interruptores del inversor resonante obtenidos en simulación cuando la lámpara se encuentra funcionando en estado estable. Se puede observar que efectivamente se logra tener conmutación a corriente cero en los interruptores por lo que las pérdidas por conmutación teóricamente son de cero Watts.

Figura 4.15. Voltaje en estado estable del balastro con ZCS,

71


Después de simular el circuito, se implementó el balastro electrónico en el laboratorio para obtener los resultados experimentales. En la figura 4.16 se observa el voltaje y la corriente en los interruptores cuando se ha colocado como carga una resistencia en lugar de la lámpara. Se puede observar en la figura que, al igual que en las simulaciones hechas en PSpice, se logra tener las conmutaciones a corriente cero, por lo que las pérdidas por conmutación son nulas.

TüL Run: 10.OMWs Slmplo -- . . . . . . . . . . . . . . . . . . , ..* , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

, . . / , , . . . . : : ; i f . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . , . . .

Figura 4.16. Voltaje y corriente en el inferruptor con una resistencia como carga

Una vez simulado el balastro electrónico y obtenidos los resultados experimentales con una resistencia como carga, se procedió a la obtención de resultados experimentales utilizando la lámpara como carga.

El encendido de la lámpara se realizó sin ningún problema. Sin embargo, durante el proceso de calentamiento de la lámpara, la potencia se incrementa en forma considerable sin control alguno, conduciendo a la destrucción de la misma. Esto se debe a que durante el proceso de calentamiento, la resistencia equivalente de la lámpara varía su valor en forma considerable en relación con el tiempo, esto es, que la lámpara en el momento del encendido, tiene un valor inicial de aproximadamente cero, ya que se considera un cortocircuito, posteriormente el valor de resistencia se va incrementando conforme aumenta la potencia aplicada a la lámpara. Dicha variación en la resistencia de la lámpara afecta el funcionamiento del tanque resonante LCC con ZCS, porque en el diseño del tanque resonante se ha considerado ai valor de la resistencia de la lámpara como un valor fijo.

AI contrario del tanque resonante LCC sin ZCS, el tanque resonante LCC con ZCS no se comporta como una fuente de corriente constante, como se puede observar en la figura 4.17. En dicha figura se observa la variación de la corriente de entrada al tanque resonante LCC sin ZCS en función del valor de la resistencia de la lámpara. Los resultados se obtuvieron con un análisis paramétrico variando el valor de RL. En la figura se observa que ante una variación del valor de la resistencia, el valor de la

72


corriente del tanque resonante no varía, sino que permanece constante, es decir, el tanque resonante funciona como una fuente de corriente.

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Figura 4.17. Variación de la corriente en la lámpara para un tanque resonante LCC

Por esta razón, con el tanque resonante LCC sin ZCS no se presenta ningún problema durante el encendido y calentamiento de la lámpara, ya que aún y cuando el valor de la resistencia de la lámpara varia, la corriente proporcionada por el tanque resonante es la misma durante todo el proceso de calentamiento de la lámpara. En la figura 4.18 se ilustra el comportamiento del tanque resonante LCC con ZCS ante variaciones en la carga, Se observa que el tanque resonante no se comporta como una fuente de corriente constante, sino que sufre variaciones considerables en la magnitud de la corriente del tanque resonante, las cuales dependen del valor de la resistencia de la lámpara.

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Figura 4.18. Variación de la corriente en el ianque LCC con ZCS ante variaciones en la resistencia de carga

73


En la figura 4.18 se observa como el valor de la corriente aumenta en forma considerable para ciertos valores de resistencia de lámpara. Razón por la cual este tanque resonante no logra estabilizar la corriente en la lámpara, ya que la resistencia de la lámpara durante el proceso de calentamiento varía desde una resistencia de cortocircuito hasta su valor nominal en estado estable.

Se puede concluir que el tanque resonante LCC con ZCS no es adecuado para el manejo de lámparas de alta intensidad de descarga debido al comportamiento de resistencia

alimentado en comente, es posible que el tanque resonante LCC con ZCS no presente estos problemas, debido a que se tendrá un valor de corriente constante.

variable de la misma durante su encendido. Sin embargo, si se emplea Un inversor

4.6 CIRCUITO DE PROTECCIONES

Debido a las características de funcionamiento de las lámparas de alta intensidad de descarga, es necesario implementar protecciones al balastro electrónico para evitar posibles daños al mismo, ya que el balastro no tiene la capacidad de mantener un alto voltaje de salida durante un intervalo de tiempo largo.

El balastro electrónico proporciona un alto voltaje de salida cuando la lámpara se encuentra apagada y se desea encenderla. Cuando la lámpara se encuentra apagada presenta una alta resistencia, es decir, se 'le puede considerar como un circuito abierto, y bajo estas condiciones el balastro proporciona un alto voltaje de salida. Sin embargo, cuando no se tiene conectada la lámpara, el balastro proporciona un alto voltaje de salida, debido a que se tiene una alta impedancia de entrada. Esto no se desea que se presente, por lo que se debe tener un circuito que detecte cuando no está presente la lámpara, y evitar que el balastro proporcione una alto voltaje de salida en forma continua, debido a que los elementos del inversor resonante no están capacitados para trabajar bajos estas condiciones. Por otra parte, para reencender la lámpara en caliente, se necesita de un voltaje sumamente elevado (40-50 kV). Voltaje que el balastro no es capaz de proporcionar. De allí que el circuito de protecciones debe evitar el intento de reencendido en caliente.

4.6.1 Diseño del circuito de protecciones

Con base en lo expresado anteriormente, el circuito de protecciones se diseñará bajo las siguientes premisas:

Se requiere aplicar un voltaje de alimentación al balastro durante un tiempo determinado. Si la lámpara se encuentra apagada (alta impedancia), entonces, el balastro debe proporcionar un alto voltaje debido a que se trabajará en resonancia, y la lámpara deberá de encender en forma normal.

Si la lámpara no se encuentra conectada (alta impedancia), se desea que el balastro permanezca en resonancia el menor tiempo posible, debido a los posibles daños que

. 74

Simulaciones y Resultados Ekperimentales Capítulo 4

Ton O O 1 1

puede causarle al inversor resonante, por lo que si después de un tiempo determinado no se detecta corriente en la lámpara, se deberá de enviar una señal al circuito de control del inversor resonante para que los transistores se desbabiliten.

Si no se detectó corriente en la lámpara debido a la ausencia de la misma, deberá de pasar un tiempo dado, y volverse a habilitar los transistores del inversor resonante para verificar nuevamente la presencia o ausencia de lámpara, ya que ésta pudiera haber sido colocada posteriormente en caso de haberse dañado, o bien estar “caliente” debido a su funcionamiento durante algún periodo dado. Se debe de tener un tiempo Ton durante el cual se habiliten los’ transistores del inversor resonante para que se aplique un alto voltaje de encendido a la lámpara y si ésta no se enciende, entonces se deberá de esperar un tiempo Toff; después del cual se deberá de repetir el proceso.

En la tabla 4.1 se muestra la tabla de verdad que se obtiene del análisis realizado al circuito de protecciones. La función habilitar transistores en el circuito integrado TL494 se habilita con un “cero lógico”.

I lamp Habilitar Transistores O 1 1 O

1 O O O -

De la tabla de verdad del circuito de protecciones se tiene que la función (F) que habilita a los transistores está dada por:

F =IL.T,,”

Esta función puede ser implementada por medio de una compuerta NOR como se observa en la figura 4.19

- --

Ton I Figura 4.19. Diagrama lógico del circuito de protecciones simplificado

75

Siniulacioncs y Resultados Experimentales Capítulo 4

4.6.1.1 Implementación del circuito de protecciones

El diseño del circuito de control se elaboró para su uso con el banco de prueba de lámparas de descarga, que utiliza como oscilador el circuito integrado TL494, el cual consta de un pin de deshabilitación de las señales de salida del oscilador. En dicho banco de pruebas se empleó como impulsor el circuito integrado (C.1) IR21 10, quien también cuenta con un pin de deshabilitación de las señales de compuerta de los interruptores, por lo que el empleo del circuito de protecciones es directo. Sin embargo, en el diseño final se empleó un circuito integrado de 8 pines, el IR2151 que es un oscilador con impulsor integrado: Dicho circuito integrado no cuenta con un pin de deshabilitación de las señales de compuerta de los interruptores, por lo que se debe de implementar una solución a este problema.

La solución al problema se encontró aterrizando el capacitor CT, el cual es el encargado de proporcionar la frecuencia de oscilación del integrado. Si el capacitor CT se aterriza, se tendrá una frecuencia de conmutación de cero, con lo que los interruptores del inversor resonante estarán deshabilitados y por lo tanto no habrá voltaje de salida del inversor resonante.

En la figura 4.20 se presenta la forma en que se implementó el circuito de protecciones para una lámpara de halogenuros metálicos de 70 Waits.

IR2155 U

c 1 Figura 4.20. implementación del circuito de proiecciones al balasbo electrónico

4.6.1.2 Resultados experimentales del circuito de protecciones

Una vez que se hubo diseñado e implementado el circuito de protecciones se procedió a la obtención de resultados experimentales, para verificar su funcionamiento.

76

Capitulo 4 Simulaciones y Resultados Expcrinientales

En la figura 4.21 se muestran las principales formas de onda experimentales obtenidas con el circuito de protecciones cuando la lámpara no se encuentra conectada al balastro electrónico.

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Figura 4.21. Formas de onda del circuito de protecciones sin lámpara conectada: I ) señal de habilitación de los transistores, 2) forma de onda del voltaje de encendido de la lámpara, 3) forma de onda de la corriente en la lámpara, 4) señal del sensor de corriente

De las formas de onda que se muestran en la figura 4.21, en el canal 1 se presenta la forma de onda del voltaje de activación de los transistores. Se observa que los transistores se activan cuando la señal es baja (“o” lógico). La señal de activación de los transistores es proporcionada por un reloj con un ciclo de trabajo muy pequeño. En el canal 2 se muestra la forma de onda del voltaje de encendido de la lámpara. Es el voltaje proveniente del balastro cuando se encuentra en resonancia y trata de encender la lámpara. En el canal 3, se muestra la forma de onda de la corriente de la lámpara, la cual es detectada por medio de un transformador de corriente, el cual proporciona un voltaje proporcional a la corriente que circula por la lámpara. En el canal 4 se muestra la forma de onda de la señal del sensor de corriente de la kmpara. Esta señal indica si la lámpara enciende, y por io tanto se encuentra conectada al balastro, o si no existe lámpara alguna conectada ai balastro.

De las formas de onda’de la figura 4.22 se puede observar que cuando la señal de habilitación de los interruptores se activa (en cero), el voltaje de salida del balastro entra en resonancia y proporciona un alto voltaje a la salida. Debido a que no se presenta un flujo de corriente por la lámpara, no existe ninguna señal del sensor de corriente que permita mantener activada la señal de habilitación de los interruptores, por lo que después de un tiempo determinado se desactivan los interruptores del inversor resonante. En la misma figura se observan las formas de onda del circuito de protecciones cuando se tiene conectada la lámpara al balastro y enciende sin problemas. La secuencia de encendido es la siguiente:

77


Cuando la señal de habilitación de los interruptores del inversor resonante se activa, el balastro proporciona un alto voltaje para el encendido de la lámpara. Al encender la lámpara, fluye a través de ella una corriente de gran magnitud, la cual es detectada en el circuito sensor. En el canal 4 se observa la fonna de onda del sensor de corriente en la lámpara. Esta señal provoca que los interruptores del inversor resonante permanezcan activados por el resto del tiempo que el balastro permanece encendido.

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Figura 4.22. Formas de onda del circuito de protecciones con lámpara conectada: 1) señal de habilitación de los transisiores, 2) forma de onda del voltaje de encendido de la lámpara, 3) forma de onda de la corriente en la lámpara, 4) señal del sensor de corriente

Cabe mencionar que una vez que la lámpara ya encendió, la corriente a través de la misma tiende a alcanzar su valor nominal en estado estable, el cual es de magnitud mucho menor que la corriente alcanzada en el encendido.

4.7 FORMAS DE ONDA DE VOLTAJES Y CORRIENTES DURANTE EL ESTADO DE PREENCENDIDO

Durante la realización de este trabajo se llevaron a cabo diferentes pruebas, las ejecutadas en los inversores: puente completo, medio puente y en el inversor asimétrico (Clase D), éstas dos Últimas tanto con el banco de pruebas utilizando el CI IR2110, como con el balastro final utilizando el Cl IR2 15 1. Se utilizaron las diferentes topologías presentadas anteriormente, el tanque resonante LCC y el tanque resonante IIC, para potencias tanto de 35 como de 70 Watts. Todas estas pruebas fueron realizadas a diferentes frecuencias de conmutación del inversor resonante.

Con todos los diseños impiementados se realizaron pruebas del voltaje de encendido y de la potencia aplicada en estado estable. A continuación se muestran algunos de los resultados experimentales obtenidos en los diferentes balastros electrónicos diseñados.

78

Capítulo 4 Simulaciones y Resultados Experimentales

4.7.1 Voltajes de encendido con lámpara

En la figura 4.23a se observa el voltaje de encendido de una lámpara de 70 watts de halogenuros metálicos proporcionado por un tanque resonante del tipo IIC funcionando a una frecuencia de conmutación de 24 kHz.

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Figura 4.23. Formas de onda del voltaje de encendido para lúmparas de halogenuros metálicos de 70 Watts a 24kHz: a) para el tanque resonante

IIC, b) para el tanque resonante LCC

En la figura 4.23b se observa la forma de onda del voltaje de encendido de una lámpara de halogenuros metálicos de 70 Watts, con un tanque resonante del tipo LCC, para una frecuencia de conmutación de 24 kiloHertz. Se puede observar como en ambos tipos de tanques resonantes el balastro encendió la lámpara sin problemas. Experimentalmente se midieron voltajes de encendido del orden de 1-1.5kV.

En la figura 4.24 se pueden observar otras formas de onda del voltaje de encendido para otras frecuencias de conmutación y se puede observar que la lámpara enciende sin ningún problema a cualquier frecuencia de diseño. En la figura 4.24a se observa la forma de onda del voltaje de encendido de la lámpara para un tanque resonante del tipo LCC y con una frecuencia de conmutación de 100 kHz para una lámpara de halogenuros metálicos de 70 Watts, mientras que en la figura 4.2b se observa el voltaje de encendido para una lámpara de 35 Watts, empleando un tanque del tipo LCC con una frecuencia de conmutación de 83 kHz.

79


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Figura 4.24. Formas de onda del voltaje de encendido para lámpara de halogenuros metálicos con el tanque LCC; a) lámpara de 70W y

F=100 !&z, b) lámparade 35W y F=83 kHz

El voltaje de encendido de las lámparas de alta intensidad de descarga que se midió experimentalmente en el laboratorio fue de aproximadamente 1.2-1.4 kV. En todos los diseños realizados se consiguió encender a la lámpara en forma adecuada. Cabe mencionar que la bobina se debe de construir lo más cercano a su valor de diseño, ya que si su valor real difiere, el tanque resonante se sale de resonancia con lo cual el voltaje de encendido puede variar en forma considerable dificultando el encendido de la lámpara.

En la figura 4.25 se observa la evolución del voltaje de encendido de la lámpara cuando el tanque resonante se encuentra en resonancia. Se puede observar como a medida que transcurre el tiempo, el voltaje aplicado a la lámpara se va incrementando, hasta que el voltaje alcanza el punto de ruptura de la lámpara, punto en el cual la lámpara inicia la descarga electrónica, generando un flujo de corriente a través de la lámpara. En este punto el voltaje cae a un valor bajo, ya que la resistencia de la lámpara cambia desde un valor inicialmente de alta impedancia, a uno de baja impedancia, por io que el voltaje proporcionado por el tanque resonante varía en forma considerable.

80

Siniulaciones y Resultados Experimentales Capitulo 4

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Figura 4.25. Evolución del voltaje de encendido de la lámpara de descarga

4.7.2 Voitajes de encendido sin lámpara

Una de las partes más importantes en un balastro electrónico para lámparas de alta intensidad de descarga (HID), es su capacidad de elevación de voltaje, ya que ésta es una de las principales diferencias entre un balastro electrónico para lámparas de alta intensidad de descarga y uno para lámparas fluorescentes. Gran parte de este trabajo está dedicado a conseguir una buena capacidad de elevación de voltaje. A continuación se muestran las formas de onda de voltaje que se obtuvieron en el laboratorio para algunos de los diferentes balastros electrónicos que se implemeiitaron durante la realización de este trabajo.

Se realizaron balastros para lámparas de halogenuros metálicos de 35 y 70 Watts, empleando el tanque resonante LCC y el tanque resonante IIC, para diferentes frecuencias de conmutación. Para los casos descritos anteriormente se realizaron pruebas sin lámparas, para así poder medir el voltaje máximo proporcionado por el balastro.

En la figura 4.26 se muestra el voltaje máximo de encendido proporcionado por un balastro electrónico para una lámpara de 70 Watts que emplea un tanque resonante del tipo LCC a una frecuencia de conmutación de 100 kHz. Se puede observar que el valor máximo de voltaje proporcionado por este balastro electrónico está por encima de los 2 kilovoltios pico.

81

Simulaciones y Rcsultados Experimentales Capítulo 3

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Figura 4.26. Voltaje máximo de encendido empleando un tanque resonante LCCpara una lúmpara de 70 Watts a 100 kHz

Por su parte en la figura 4.27 se muestra la forma de onda del voltaje máximo de encendido proporcionado por un balastro electrónico para una lámpara de 70 Watts que emplea un tanque resonante del tipo LCC a una frecuencia de conmutación de 24 kHz. Se puede observar en la figura que el valor máximo de voltaje proporcionado por el balastro electrónico es superior a los 2 kilovoltios pico, valor suficiente para lograr el encendido de una lámpara de alta intensidad de descarga.

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Figura 4.27. Voltaje máximo de encendido empleando un tanque resonante LCCpara una lámpara de 70 Watts a 24 kHz

82

Siniulaciones y Resultados Experimentales Capítulo 4

En la figura 4.28 se observa la forma de onda del voltaje máximo de encendido que nos proporciona un balastro electrónico para una lámpara de heiogenuros metálicos de 35 Watts, el cual emplea un tanque resonante del tipo LCC con una frecuencia de conmutación de 83 kHz. Se puede observar en la figura que el valor máximo de voltaje proporcionado por el balastro electrónico para esta potencia de lámpara es superior a los 3 kilovoltios pico, lo cual confirma el análisis matemático realizado en el capítulo anterior en donde se afirmó que la ganancia máxima de voltaje proporcionada por el balastro electrónico depende en parte por la potencia de la lámpara a emplear y por lo tanto de su resistencia equivalente.

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Figura 4.28. Voltaje máximo de encendido empleando un tanque resonante LCCpara una lámpara de 35 Watts a 83 kHz

La figura 4.29 presenta la forma de onda del voltaje máximo de encendido, que se obtiene con un balastro electrónico para una lámpara de 35 Watts cuando se utiliza un tanque resonante del tipo IIC con una frecuencia de conmutación de 100 kHz. ..

. . . . . . . . .

Figura 4.29. Voltaje máximo de encendido empleando un ianque resonante K p a r a una lámpara de 35 Watts a 100 kHz

83


En la figura 4.29 se observa que el valor máximo de voltaje proporcionado por el balastro para una lámpara de 35 Watts de potencia es mayor a los 3 kilovoltios. Con lo cual se confirma lo dicho en la figura 4.12 de que la ganancia máxima de voltaje para ei encendido de la lámpara depende principalmente del valor de la potencia de la lámpara, y que la frecuencia de conmutación del balastro no es una limitante para el diseño de un balastro electrónico, ya que la frecuencia de conmutación para cuestión de diseño no afecta a la ganancia máxima de encendido. La frecuencia de conmutación afecta únicamente a la ganancia en el funcionamiento estable del circuito.

4.7.3 Corrientes de encendido

Mientras el voltaje aplicado a la lámpara en el encendido varía desde un valor mínimo a un valor máximo (de ruptura), para posteriormente caer abruptamente a un valor bajo, la corriente tiene una evolución completamente diferente. Mientras el voltaje aplicado a la lámpara no alcanza el valor de ruptura, la corriente a través de la misma es de un valor muy pequeño, ya que la resistencia de ésta se considera como un circuito abierto (alta impedancia).Pero cuando el voltaje aplicado a la lámpara alcanza el valor de ruptura, se produce una descarga electrónica a través de la lámpara, por lo que su valor resistivo se considera el de un corto circuito, de ahí que en el encendido se demanda una gran corriente a los interruptores del inversor resonante.

En la figura 4.30 se observa la forma de onda de corriente de una lámpara de descarga de 70 Watts cuando se emplea un tanque resonante del tipo LCC a una frecuencia de conmutación de 24 kHz. Se puede observa en la figura 4.30 como la corriente de encendido de la lámpara de descarga evoluciona desde un valor de cero en un inicio, hasta un valor máximo en el punto de ruptura, con magnitudes aleatorias, tanto positivas como negativas durante la etapa de encendido, para posteriormente, después de un intervalo de tiempo de calentamiento, mantenerse en un valor constante, hasta alcanzar el estado estable.

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Figura 4.30. Corrienie de encendido de la lámpara de descarga

84

Simulacioncs y Resultados Experimentales Capitulo 4

Cuando el voltaje aplicado a la lámpara alcanza el nivel de ruptura, esto provoca una descarga de corriente en el interior de la lámpara. Sin embargo, si esta descarga no es mantenida, entonces, el arco a través de la l h p a r a desaparece. Existe un tiempo mínimo desde el instante en que se aplica potencia al circuito inversor resonante para que éste proporcione el voltaje de encendido a la lámpara, y ésta logre SU encendido en forma adecuada.

En la figura 4.31 se observan las formas de ondas de corriente y voltaje de encendido para una lámpara de alta intensidad de descarga, en esta figura se puede observar el tiempo de encendido necesario para que la lámpara inicie su descarga y comience su proceso de encendido.

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Figura 4.31. Formas de onda de voltaje y corriente de encendido de una lámpara de alta intensidad de descarga

4.8 VERSIÓN FINAL DEL BALASTRO

Durante la realización de este trabajo se implementaron diferentes balastros electrónicos, como los fueron los construidos con inversores puente completo, medio puente y amplificador asimétrico (clase D), así como se utilizaron diferentes topologías de tanques resonantes como los fueron los tanques LCC e IIC, los cuales fueron empleados para diferentes potencias (35 y 70 watts) y con diferentes frecuencias de conmutación (24, 83 y 100 kHz). El circuito de control también se implementó de diferentes maneras, ya que en el banco se pruebas se utilizaron los integrados TL494 y el IR21 10 como circuitos integrados oscilador e impulsor, mientras que en las pruebas finales se utilizó el circuito integrado IR2 15 I .

De ahí que las combinaciones de los elementos anteriores dejaron una gran cantidad de balastro electrónicos. Sin ernbargo, como balastro final se seleccionó debido al número de componentes y por lo tanto de tamaño del mismo, el balastro que se observa en la figura 4.32.

85

Capitulo 4 Simulaciones y Resultados Experimentales

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T Tanque Resonante . m

I Sensor Circuito de Protecciones t -

Figura 4.32. Balastro final a 24 kHzpara una lámpara de halogenuros metálicos de 70 Watts de potencia

El balastro final está formado por un inversor del tipo amplificador clase D, este es controlado por medio de un circuito integrado IR2151, el cual es un oscilador e impulsor integrado en el mismo chip. El tanque resonante a emplear en la versión final puede ser cualquiera de los estudiados en este trabajo, es decir, es indistinto utilizar el tanque resonante LCC o el tanque resonante IIC, ya que con ambos se puede controlar tanto la potencia aplicada a la lámpara como el voltaje de encendido de la misma.

Como sensor de corriente se emplea un transformador de corriente formado por un núcleo toroidal. La señal de salida del sensor se aplica al circuito de protecciones de la figura 4.20.

A continuación se muestran las formas de onda de voltaje y corriente de lámpara en estado estable que se obtuvieron con el balastro final para una lámpara de halogenuros metálicos de 70 watts con una frecuencia de conmutación de 24 kHz que es la frecuencia seleccionada para evitar la presencia de resonancias acústicas.

En la figura 4.33 se observan las formas de onda de voltaje y corriente en la lámpara en estado estable obtenidas con el balastro electrónico final cuando se emplea el tanque resonante LCC. Se puede observar en la figura que se proporciona la potencia adecuada a la lámpara para el estado estable.

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Simulaciones y Resultados 1:xperimentales Capitulo 1

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Figura 4.33. Formas de onda de voltaje y corriente en la lámpara con el balastro final empleando el tanque resonante LCC a 24 kHz

Por su parte en la figura 4.34 se presentan las formas de onda de voltaje y corriente de la lámpara en estado estable, que se obtuvieron con el balastro electrónico final cuando se emplea el tanque resonante IIC. Se puede observar en la figura que también con este tipo de tanque resonante se proporcionó la potencia adecuada a la lámpara en estado estable

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Figura 4.34. Formas de onda de voltaje y corriente en la lámpara con el ba1astro)nal empleando el tanque resonante IIC a 24 kHz

87


En resumen, con el balastro final se proporciona la potencia adecuada a la lámpara en estado estable, indistintamente del tipo de tanque resonante Por emplear, además, la ganancia máxima de voltaje para el encendido de la lámpara tampoco depende del tipo de tanque resonante. El balastro final tiene un número reducido de elementos, además de un circuito de protecciones sencillo. Finalmente, el balastro electrónico seleccionado opera sin presentar el fenómeno de resonancias acústicas.

En este capítulo, se presentaron todos los resultados experimentales obtenidos durante el desarrollo de este trabajo, así como la implementación del banco de trabajo con el cual se hicieron un número considerable de pruebas. Además, se han presentado todos los resultados experimentales obtenidos con los tanques resonante LCC e ICC, resultados que incluyen desde voltajes de encendido hasta voltajes y corrientes en estado estable de la lámpara, para distintos diseños de balastros electrónicos. Se han presentado los resultados de las técnicas empleadas para evitar la presencia de resonancias acústicas, así como los obtenidos por el circuito de protecciones. Al final se ha presentado un balastro electrónico simplificado para lámparas de halogenuros metálicos de 70 Watts, el cual no presenta el fenómeno de resonancias acústicas. además de contar con un circuito de protecciones.

88

Capítulo 5

Conclusiones

En este último capítulo, se presentan las conclusiones generales de este trabajo de investigación desarrollado, así como las recomendaciones para trabajos futuros dentro del area de la iluminación electrónica, que pueden dar continuidad a este trabajo.

5.1 APORTACIONES

5.1.1 Del trabajo

En el inicio de este trabajo se planteó como objetivo principal, el realizar un estudio de las topologías resonantes para su aplicación en sistemas de alimentación para lámparas de alta intensidad de descarga, con lo cual se inició una linea de investigación dentro del área de iluminación. Como objetivo particular, se tenía el seleccionar una topología inversora resonante, que fuera adecuada para el manejo de lámparas de halogenuros metálicos. Este objetivo, se ha cubierto al final de este trabajo, ya que se ha construido un prototipo para una lámpara de halogenuros metálicos de 70 Watts, el cual es simple y eficaz.

Como aportación principal en esta investigación, se resalta el análisis de los inversores de alta frecuencia, así como en el análisis y diseño de dos tanques resonantes, el tanque resonante LCC y el denominado de impedancias capacitivas (IIC), empleados para balastros electrónicos utilizando una frecuencia de conmutación, para obtener tanto el voltaje de encendido, como el aplicar la potencia adecuada en estado estable a la lámpara.

Como conclusiones particulares se tiene que:

Capitulo 5 Conclusiones

5.1.2 Del inversor de alta frecuencia

Para el manejo de lámparas de alta intensidad de descarga, la utilización de un determinado inversor de alta frecuencia, depende básicamente de la potencia a manejar por el balastro electrónico, ya que si se desea manejar lámparas de potencias elevadas, el esfuerzo en los interruptores será mayor, además, de que para el diseño, la máxima ganancia de encendido posible está determinada entre otros factores, por la potencia a manejar por el tanque resonante. Para el caso que se abordó durante este trabajo, que fue el manejo de lámparas de 35 y 70 Watts, se empleó en la versión final un inversor clase D, el cual consta únicamente de dos interruptores, con lo cual se simplificó el control y tamaño del balastro final resultante. Sin embargo, el uso de inversores de alta frecuencia, ocasionó la presencia de un problema molesto en el manejo de lámparas de descarga. Las resonancias acústicas, motivo por el cual fue necesario emplear diferentes técnicas para su eliminación. Como lo fue el realizar una modulación en frecuencia, con lo cual se logró su eliminación. En el balastro final se trabajó al inversor resonante en una frecuencia de conmutación en la cual no se presentan las resonancias acústicas,

5.1.3 Del tanque resonante

En relación con el tanque resonante a emplear en el manejo de lámparas de alta intensidad de descarga, se puede decir, que con el tanque LCC y el tanque resonante IIC se logra conseguir aproximadamente la misma ganancia de voltaje de encendido con las mismas condiciones de diseño, de ahí que sea indistinto el utilizar uno o el otro tanque resonante para el diseño de una potencia dada.

Con cualquiera de los dos tanques resonantes se logró aplicar una potencia adecuada a la lámpara, además de conseguir el voltaje de encendido, utilizando una sola frecuencia de conmutación en el balastro. Hecho que hasta el momento no se tiene reportado en ninguna literatura especializada en el manejo de lámparas de alta intensidad de descarga. El diseño de los tanques resonantes está restringido principalmente por el valor de potencia y por lo tanto por la resistencia equivalente de la lámpara en estado estable, ya que a potencias mayores la ganancia del voltaje de encendido del balastro disminuye, y en un caso muy crítico puede ocasionar que el voltaje aplicado no sea el adecuado para lograr el encendido de la lámpara. Problema que se resuelve fácilmente utilizando un voltaje mayor en el bus de CD, ya sea elevando el voltaje de alimentación del inversor resonante para el caso de los inversores medio puente y amplificador clase D, o utilizando un inversor tipo puente completo con lo cual esto se logra automáticamente.

Durante este trabajo, se trató de conseguir el aplicar una potencia adecuada a la lámpara en estado estable, además de lograr el encendido de la lámpara sin ningún problema con una sola frecuencia de conmutación, y se trató además de que los interruptores presentaran conmutaciones a corriente cero con el fin de disminuir las pérdidas por conmutación. Esto no fue posible, debido a las múltiples variables que intervienen, y no es posible tratar de abordarlas con una sola frecuencia de conmutación. En cuanto al uso de dos frecuencias de conmutación, para tratar de lograr con una frecuencia el encendido de la lámpara y con la otra frecuencia el aplicar la potencia

/

90

Conclusiones Capítulo 5

deseada a la lámpara, además de conseguir conmutación a corriente cero en los interruptores, esto no se logró debido a que el tanque resonante bajo estas condiciones de trabajo no se comporta como una fuente de comente constante. Sin embargo, existe la posibilidad de lograrlo si se utiliza un inversor alimentado en comente, cuestión que se deja para trabajos futuros.

5.1.4 Del circuito de control

La versión del balastro final fue implementada por medio de un amplificador clase D, el cual contiene dos interruptores, uno de ellos flotado, de allí que se debe de utilizar un circuito que además de proporcionar la comente adecuada para el disparo de los interruptores, proporcione una señal flotada. En la versión final del balastro se ha utilizado un circuito integrado de 8 pins (IR2155), el cual realiza la función de oscilador y driver, con lo que el balastro final se ha simplificado en forma considerable, reduciendo tanto tamaño, peso, como costos. Además, esta versión final está implementada con un circuito de protecciones simple, que evita que el balastro se dañe en caso de tratar de trabajar sin lámpara en sus terminales de salida, o si se presenta el caso de tratar de reencender la lámpara en caliente.

5.2 RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS

Durante la realización de este trabajo se abordaron diferentes problemas los cuales fueron solucionados de manera exitosa. Sin embargo, no deja de ser interesante un estudio más profundo en ciertos temas, tales como el fenómeno de las resonancias acústicas, que es una de las principales limitantes en el uso de inversores de alta frecuencia, por lo que el tratar de solucionar este problema bajo otras técnicas, como puede ser entre otras, el empleo de otras señales en el tanque resonante, resulta ser muy interesante.

Otro problema digno de un estudio más profundo puede ser el de analizar otras combinaciones de tanques resonantes con el fin de lograr un voltaje de encendido óptimo para lámparas de potencias elevadas. Además, el tratar de lograr el funcionamiento con conmutaciones a comente cero con el fin de lograr disminuir las pérdidas por conmutación en los interruptores.

Lograr el encendido en caliente de las lámparas de alta intensidad de descarga, es un trabajo obligado debido a las exigencias que de ellas se tiene, por lo cual el implementar un balastro electrónico con la capacidad de reencender a la lámpara en caliente es un tema del cual no se puede evitar buscar su solución y resulta un área muy interesante de investigación.

El fabricar balastros para lámparas HID alimentadas desde baja tensión es un trabajo obvio a realizar en el futuro, ya que su aplicación en la industria automotriz es un mercado creciente, el cual hay que aprovechar.

91

Conclusiones Capítulo 5

5.3 OTROS LOGROS

Con este trabajo de investigación se consiguieron congresos nacionales:

E. Rodriguez Vela, M. Ponce, J. Arm, “Análisis de Topologías Resonantes para su Aplicación en Sistemas de Alimentación para Lámparas de Alta Intensidad de Descarga”, CONIELECOMF’ 99, Marzo de 1999, UDLA, Cholula, Puebla, México.

E. Rodriguez Vela, M. Ponce, J. Arm, “Análisis de Topologías Resonantes para su Aplicación en Sistemas de Alimentación para Lámparas de Alta Intensidad de Descarga”, CIECE 99, Marzo de 1999, UAG, Guanajuato, Guanajuato, México.

publicaciones en los siguientes

92

ANEXOS

1. Programa realizado en "Mathematica" para realizar el cálculo de los elementos de un tanque resonante LCC para un inversor Puente completo*)

(*Datos*)

Vcc=180; P=35; RL=232; Va=(4/pi) Vcc; Rp=lO; Q=3; F=lOOOOO; w=2 Pi f;

(*Variables Auxiliares*)

q=2 PNa"2; Xcrp=Rp Me; Req:=RL XcrpA21(RL"2+XcrpA2)+Rp; Xce:=RL"2 Xcrpl(RLA2+Xcrp"2);

(*Cálculo de la ganancia de voltaje máxima *)

n:=Sqrt[Xcrp"2-RpA2 Me"21íMe-Sqrt[Reqlq-ReqA2]+Xcrp-Xce; Plot[n, {Me, 1,l OO}];

n:=Sqrt[XcrpA2-RpA2 MeA2]íMe-Sqrt[Reqlq-ReqA2]+Xcrp-Xce; res=FindRoot[n==O, {Me, 1 go}]; Me=Me/.res; Print["Ganancia máxima= ",N[Me]]; Print["Venc.máx= ",N[Va Me]];

(* Cálculo de los elmentos del tanque resonante*)

Print["Xcrp= ",N[Xcrp]]; Xcrs=Q Req-Xcrp; Print["Xcrs= ",N[Xcrs]]; Print["XL= ",N[Q Res]]; Pnnt["Re =",N[Req] 3; Pnnt["Valor del Capac.Cp = ",N[ llwlXcrp]];

Print["Valor del capac.Cs = ",N[l/w/Xcrs]]; Print["Valor de la inductancia L=",N[Q Req/w]];

2. (Programa realizado en "Mathematica" para realizar el cálculo de los elementos de un tanque resonante IIC para un inversor Puente corn pieto*)

(*Datos*)

Vcc=180; P0=70; RL=97; Va=4*Vcc/pi; Rp=lO; Q=3; F=24000; w=2*Pi*f.

(*variar Po para diferentes potencias*)

(*Variables auxiliares*)

q=Sqrt[2*Po/RL]; Gain=Va*Sqrt[RL/(2*Po)]/Rp; Print["Gain = ",N[Gain,3]]; Vout=Va*Gain; Pnnt["Vout = ",N[Vout]]; Xc2=Sqri[Vout*Rp]; Print["Xc2 = ",N[Xc2]]; Capac2=l/(w*Xc2); Print["Capac.2 = ",N[Capac2]]; L=XcZlw; Print["L = ",N[L,4]]; XCS=S~~~[(Q*RL*XC~)-(RL"~)]-XC~; Print["Cs = ",N[l/w/Xcs,4]]; Qmin=(Xc2"2+RLA2)/(RL*Xc2); Pnnt["Qmin = ",N[Qmin]]

94

Anexos

(Programa realizado en "Mathematica" para realizar el calculo de los elementos de un tanque resonante LCC con ZCS para un inversor Puente completo*)

3.

Datos:

Va=llO; RL=97; P=70; Q=3; F=l 00000; w=2P i f ;

(* Calculo de las capacitancias *)

Xcp=Vi FU /Sqri[2 RL P-Vi"21;

Req=RL Xcp"2/(RLA2+Xcp"2); XL=Q Req;

Print[" La Xcp =",N[Xcp]]; Print[" La XL =",N[XL]]; Print[" La Xcs =",N[Xcs]]; Print[" La Req =",N[Req]]; Print[" Capac XCS =",N[l/w/Xcs]]; Print[" Capac Xcp =",N[l/w/Xcp]]; Print[" La inductanc =",N[XL/w]];

XCSZRL XCP(XCP Q-RL)/(XCP"~+RL"~);

4. Obtención de la resistencia y capacitancia equivalente del tanque resonante LCC

Dei circuito de la figura 3.1 relativo al tanque resonante LCC, se observa que:

RL 11 Xcp = R 11- jXcp - jRLXcp R + jXcp R-jXcp ' R + jXcp

RLIlXcp =

95

- j m 2 X c p + m x c p 2

RL2 + xcp2 RL//xcp =

RL//xcp = - j RLxcp2 RL2xcp

RL2 + xcp2 RL2 + xcp2

en donde Xcel= parte imaginaria y Req= parte real. Por lo que:

RLxcp2 RL2 + Xcp2

Req =

RL2xcp

RL2 + xcp2 Xcel =

5. Obtención de la resistencia y capacitancia equivalente del tanque resonante IIC

Del circuito de la figura 3.9 relativo .al tanque resonante IIC,se observa que:

Xcp/í(Xcs + RL) = -jXcp//(-jXcs + RL)

- XcpXcs- jRLXcp RL + j(Xcp + Xes) RL - j(Xcp + Xes) RL + j(Xcp + Xes)

Xcp//(Xcs + RL) =

RLxcp2

RL2 + (Xcp2 + x c s p Xcp(RL2 + Xcs(Xcp + XCS))

RL2 + (Xcp2 + XCS)2 - j Xcp//(Xcs + RL) =

en donde Xce= parte imaginaria y Req= parte real. Por lo que:

Req = ~

RL2

RLxcp2

+ (Xcp2 + Xcsf

96

Anexos

Xcp(RL2 + Xcs(Xcp + XCS))

RL2 + (Xcp2 + XCS)2 Xce =

97

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