ES2296459A1 - Balasto electronico integrado de alto factor de potencia para alimentacion de lamparas de descarga de alta presion. - Google Patents
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Abstract
Balasto electrónico integrado de alto factor de potencia para alimentación de lámparas de descarga de alta presión. El circuito integra un convertidor reductor y otro de retroceso; permitiendo el primero realizar la corrección del factor de potencia, mientras que el segundo es empleado para controlar la potencia de la lámpara. La bobina de salida del convertidor de retroceso tiene dos devanados que conmutan en baja frecuencia para alimentar la lámpara con una onda cuadrada, evitando así el fenómeno de resonancia acústica. En este circuito, el interruptor compartido manejará sólo la corriente de una de las etapas integradas y nunca la suma de las dos, como ocurre en la mayoría de los circuitos de etapas integradas. De aplicación en el sector de iluminación artificial.
Description
Balasto electrónico integrado de alto factor de
potencia para alimentación de lámparas de descarga de alta
presión.
El objeto de la presente invención es un
circuito electrónico para alimentación de lámparas de descarga de
alta presión, conocido habitualmente como balasto electrónico. De
aplicación en el sector de iluminación artificial.
El circuito de la presente invención está
relacionado con los convertidores electrónicos que realizan una
triple conversión: (a) alterna-continua,
generalmente un rectificador de alto factor de potencia del que se
obtiene una tensión continua constante; (b)
continua-continua, para controlar la potencia
entregada a la lámpara, y (c) continua-alterna,
generalmente un inversor tipo puente completo, para alimentar la
lámpara con una onda cuadrada de corriente en baja frecuencia.
Para conseguir esta triple conversión es
habitual el empleo de tres etapas en cascada, cada una de las
cuales realiza una de las conversiones anteriores. Un convertidor
con esta estructura resulta adecuado para la alimentación de
lámparas de descarga de alta presión, ya que permite alimentar la
lámpara con potencia constante, evitando la aparición de
resonancias acústicas y cumpliendo la norma vigente relativa a
inyección de armónicos en la red. Un ejemplo de un balasto de tres
etapas se encuentra en Lin et al (patente US 6.856.102). Sin
embargo, es un circuito que puede ser muy caro y tiene un bajo
rendimiento. Esto es debido a las numerosas etapas de operación,
que necesitan interruptores activos y circuitos de comando
específicos para cada etapa.
Para conseguir un balasto que realice estas tres
conversiones y que tenga bajo coste es habitual combinar dos o más
etapas en una sola, dando lugar a lo que se denominan convertidores
integrados. Las tres etapas de conversión se pueden combinar de
varias maneras. No obstante, el principal problema al que se
enfrenta la integración de etapas es que surgen esfuerzos
adicionales de tensión y/o corriente en el interruptor compartido.
Esto hace necesario el uso de semiconductores más caros, aumentando
también las pérdidas en estos elementos. Todo ello perjudica
finalmente el rendimiento del balasto.
En Shen et al (Shen et al,
"Design of a Two-Stage
Low-Frequency Square-Wave Electronic
Ballast for HID Lamps", IEEE Transactions on Industry
Applications, Vol. 39, N°. 2, 2003), se presenta un balasto de dos
etapas para alimentar lámparas de halogenuros metálicos. En el
inversor en puente completo, dos de los interruptores conmutan en
alta frecuencia, haciendo un convertidor reductor integrado en dos
de los interruptores del puente completo. Por tanto, se trata de un
balasto de dos etapas que realiza las mismas funciones que el de
tres etapas. Sin embargo, el número de interruptores y componentes
de control sigue siendo elevado, ya que precisa de cuatro
interruptores en el puente completo más una etapa previa para la
corrección del factor de potencia. Por ello, el coste, volumen y
peso siguen siendo elevados y el rendimiento del balasto completo
limitado.
Otras soluciones en la misma línea consiguen
integrar en una etapa y con cuatro interruptores activos, las tres
etapas que constituyen el balasto (Có et al, "Single Stage
Electronic Ballast for HID Lamps", IEEE Industry Applications
Meeting (IASM) proceedings, Vol.: 1, Octubre, 2003). Sin embargo, es
un circuito que precisa un circuito de control complicado y que
incorpora un total de cuatro interruptores, lo que da lugar a
elevadas pérdidas, perjudicando el rendimiento del balasto.
Un balasto con características parecidas al
propuesto, pero que integra un convertidor reductor con un inversor
en medio puente, se presenta en Calleja et al (patente ES
2156741). Este circuito tiene un comportamiento similar al propuesto
desde el punto de vista de la corriente consumida de la red
eléctrica, pero la parte de salida está pensada para la
alimentación de la lámpara a alta frecuencia y en especial para
lámparas fluorescentes.
El objeto de la invención es un circuito
electrónico de alimentación para lámparas de descarga de alta
presión. La lámpara es alimentada con una onda cuadrada de corriente
con valor medio nulo en baja frecuencia. El circuito se alimenta
desde la red eléctrica de energía alterna y tiene la característica
de demandar corriente cuyas componentes armónicas satisfacen las
especificaciones de la norma
EN61000-3-2. La onda de corriente
demandada de la red eléctrica en cada semiperíodo de red, es
proporcional a la tensión de red dentro de un intervalo de tiempo
simétrico con respecto al máximo de la onda de tensión de red,
siendo nula fuera de este intervalo, de la forma en que se muestra
en la Figura 3, de modo que el ángulo de conducción de los diodos,
indicado en la figura mediante f, tenga un valor mínimo adecuado
para cumplir la normativa.
El circuito propuesto integra en una sola etapa
las tres etapas básicas de un balasto para lámparas de descarga de
alta presión: (a) corrección del factor de potencia; (b) control de
la potencia de la lámpara; y (c) inversor. Este balasto permite:
encender la lámpara con el auxilio de un circuito arrancador que
aplica un pico de tensión de cerca de 3 kV; calentarla hasta la
temperatura nominal de operación del gas y alimentarla en régimen
permanente.
La invención consiste en un convertidor
alimentado desde la red alterna, conectado a fase y neutro por
medio de un filtro (1), (2) y (3) que actúa como supresor de
interferencias y que cumple las especificaciones de la norma EN55015
referida a la perturbación radioeléctrica de equipos de iluminación
y similares. A continuación se coloca un rectificador, formado por
(4), (5), (6) y (7), de forma que se obtiene una tensión continua
equivalente a la tensión alterna rectificada en doble onda sin
suavizar. Los cátodos de los diodos (4) y (5) están conectados al
cátodo del diodo (10) y a uno de los terminales de la bobina (9).
El ánodo del diodo (10) está conectado al cátodo del diodo (17), al
ánodo del diodo (16) y al terminal negativo del condensador (11). El
terminal positivo del condensador (11) está conectado al otro
terminal de la bobina (9) y a uno de los terminales de la bobina
primaria del convertidor de retroceso (12). El otro terminal de la
bobina (12) está conectado al cátodo del diodo (16) y al drenador
del interruptor (15). El terminal fuente del interruptor (15) está
conectado al ánodo de los diodos (17), (6) y (7). El interruptor
(15) es compartido por los convertidores reductor y de retroceso.
Los diodos auxiliares (16) y (17) están colocados en el circuito
para permitir el correcto funcionamiento del interruptor (15), pues
ellos proveen camino para la corriente durante la etapa de
funcionamiento compartida de los convertidores. De hecho, los
componentes (16), (17) y (18) pueden considerarse como el
interruptor principal integrador de ambas etapas.
El convertidor reductor está formado por la
bobina (9), el diodo (10), el condensador (11), el interruptor (15)
y los diodos auxiliares (16) y (17). Así, a partir de la tensión
alterna rectificada de la red, este convertidor corrige el factor de
potencia y obtiene un nivel de tensión continua de bajo rizado en
el condensador (11). Para el convertidor trabajando en modo de
conducción discontinuo, el valor seleccionado para esta tensión
definirá el ángulo de conducción de la corriente de entrada,
indicado en la Figura 3 como f, y que debe tener un valor mínimo
para cumplir la norma
EN61000-3-2.
La parte de salida del transformador del
convertidor de retroceso está formada por las dos bobinas (13) y
(14) conectadas entre sí, este punto también está conectado al
terminal negativo del condensador (20), al terminal positivo del
condensador (21) y al bloque formado por la lámpara y el
arrancador. El otro terminal de la bobina (13) está conectado al
ánodo del diodo (18), cuyo cátodo está conectado al terminal
positivo del condensador (20) y al drenador del interruptor (22). El
terminal fuente del interruptor (22) está conectado al drenador del
interruptor (23) y al bloque formado por la lámpara y el arrancador
(24). El terminal fuente del interruptor (23) está conectado al
terminal negativo del condensador (21) y al ánodo del diodo (19).
Para finalizar, el cátodo del diodo (19) se conecta al terminal
restante de la bobina (14).
Para entender mejor el funcionamiento del
circuito, se presentan las formas de onda básicas en la Figura 1B.
En la figura 1b1 está mostrada la señal aplicada al comando del
interruptor principal de alta frecuencia (15), o sea, la señal en el
punto A de la Figura 1A.
La corriente que circula por la entrada del
circuito durante el periodo de conducción de los diodos del
rectificador, es de forma triangular (figura 1b2) y su valor medio
es aproximadamente proporcional a la tensión instantánea de la red.
La inductancia (9) del convertidor trabaja en modo de conducción
discontinuo, es decir, la corriente parte de cero y crece
linealmente durante todo el intervalo de conducción del interruptor
principal de alta frecuencia (15). Cuando el interruptor principal
de alta frecuencia (15) está cerrado, la inductancia se magnetiza
almacenando energía (figura 1b2), y además de la magnetización de la
inductancia, se está aportando también carga al condensador (11) si
la corriente del convertidor reductor mostrada en la figura 1b2 es
mayor que la corriente del convertidor de retroceso mostrada en la
figura 1b4. Cuando el interruptor se abre, la energía almacenada en
forma de campo magnético en la inductancia se transfiere hacia el
condensador (11), a través del diodo (10), la corriente en este
intervalo se muestra en la figura 1b3. Este condensador (11) es el
encargado de mantener la tensión continua constante en el tiempo.
Para ello, debe estar diseñado con un valor suficientemente
alto.
Con la tensión continua obtenida de salida del
convertidor reductor, que está almacenada en el condensador (11),
se alimenta el convertidor de retroceso, que también trabaja en
modo de conducción discontinuo. Este está formado por el
transformador representado por las bobinas acopladas (12), (13) y
(14), el interruptor principal de alta frecuencia (15), los diodos
auxiliares (16) y (17), los diodos rectificadores (18) y (19), los
condensadores (20) y (21), los interruptores principales de baja
frecuencia (22) y (23), y el conjunto de lámpara en serie con
arrancador (24). La corriente que circula en la bobina del primario
del convertidor de retroceso (12) cuando el interruptor (15) está
cerrado se muestra en la figura 1b4, y su valor medio es
proporcional a la tensión acumulada en el condensador (11) aplicada
a esta bobina (12). Cuando el interruptor (15) se abre, la energía
acumulada en el núcleo del convertidor de retroceso se descarga por
uno de los devanados secundarios del transformador (13) ó (14),
dependiendo de cual de los interruptores principales de baja
frecuencia (22) ó (23) esté cerrado. Esta corriente se muestra en la
figura 1b5. Esta energía es transferida a la carga. El valor medio
de esta corriente es proporcional a la tensión acumulada en el
condensador correspondiente (20) ó (21) aplicada a la bobina
correspondiente (13) ó (14). La parte alterna de la corriente
presentada en la figura 1b5 es filtrada por el condensador
correspondiente (20) ó (21), y su componente continua circula por
la lámpara. Como los interruptores (22) y (23) conmutan en baja
frecuencia, con ciclo de trabajo cercano a 0,5. Así, la forma de
onda de corriente aplicada a la lámpara es una forma de onda
cuadrada con valor medio nulo de baja frecuencia. La Figura 4
muestra las formas de onda teóricas de tensión y corriente en la
lámpara.
En el dispositivo objeto de esta invención,
cualquiera de los interruptores principales es un transistor.
Como todos los balastos para lámparas de
descarga de alta presión, el balasto propuesto precisa de un
circuito arrancador para iniciar la descarga en la lámpara. El
empleo de una u otra solución de arrancador no afecta al
funcionamiento del circuito, ya que el arrancador sólo opera en los
primeros instantes de funcionamiento, quedando posteriormente
desactivado. Una posible alternativa para el arranque de la lámpara
se muestra en la Figura 2. La resistencia (25) tiene uno de sus
terminales conectados a uno de los puntos (F ó G), de la Figura 1A;
su otro terminal está conectado a uno de los terminales del
condensador (26) y a un terminal del centellador (27). El otro
terminal del centellador (27) está conectado a uno de los terminales
de la bobina (28), que está acoplada magnéticamente a la bobina
(29). El otro terminal de la bobina (28) está conectado a uno de
los terminales de la bobina (29) y al otro terminal del condensador
(26), este punto también va conectado al punto D de la Figura 1A. El
otro terminal de la bobina (29) está conectado a uno de los
terminales de la lámpara (30). El otro terminal de la lámpara (30)
está conectado al punto E de la Figura 1A.
En el circuito de la Figura 2, la lámpara está
inicialmente apagada y el condensador (26) se carga a través de la
resistencia (25). Cuando la tensión en el condensador (26) llega al
valor de ruptura del centellador (27), éste entra en cortocircuito,
aplicando la tensión del condensador (26) a la bobina (28). Como la
bobina (29) está acoplada magnéticamente a la bobina (28), surge en
los terminales de la bobina (29) una tensión del valor de la
tensión del condensador (26) multiplicada por la relación de
espiras (nign). La tensión de la bobina (29) es aplicada a los
terminales de la lámpara (30), y deberá ser lo suficientemente
elevada para cebar la lámpara (30), comenzando a circular corriente
por la misma. De esta forma, el condensador (26) ya no será cargado
nuevamente hasta la tensión de ruptura del centellador (27), y el
arrancador queda deshabilitado.
La invención presenta importantes ventajas con
respecto a los convertidores mencionados en el estado del arte. En
primer lugar, la integración de etapas propuesta permite conseguir
un balasto con un reducido número de componentes, en particular, de
interruptores activos, ya que incluye solamente tres.
Otra ventaja importante es que la configuración
del circuito permite integrar etapas sin esfuerzos excesivos en el
interruptor compartido (15). Esto es debido a que el interruptor
(15) manejará como corriente máxima la corriente del convertidor
reductor o la del convertidor de retroceso, dependiendo de la que
sea mayor, pero nunca la suma de ambas.
El circuito propuesto integra tres etapas de
conversión de energía en sólo una, sin pérdidas excesivas en el
interruptor integrado. Esto hace que el balasto propuesto tenga un
rendimiento mayor. Además, al reducir el número de interruptores se
simplifica la circuitería de control. El balasto propuesto sólo
incorpora un interruptor que trabaja a alta frecuencia, mientras
que los otros dos lo hacen a frecuencia muy baja. Esto permite
simplificar aún más el circuito de control y optimizar las pérdidas
de los interruptores. Por todas estas razones, el balasto presenta
también un coste reducido.
Con la variación del ciclo de trabajo del
interruptor (15), que trabaja a alta frecuencia, se regula la
potencia de la lámpara ante variaciones de tensión de la red y
también frente a variaciones de la resistencia de la lámpara con su
envejecimiento, lo cual resulta de gran importancia en este tipo de
circuitos.
Por medio de los interruptores (22) y (23) que
conmutan a baja frecuencia, la lámpara es alimentada con una forma
de onda cuadrada de corriente con valor medio nulo en baja
frecuencia, lo que está comprobado que es el mejor método para
evitar la aparición de resonancias acústicas.
El balasto realiza corrección del factor de
potencia, cumpliendo la normativa actual de inyección de armónicos
en la red (IEC61000-3-2 clase
C).
El campo de aplicación de la presente invención
es el correspondiente a todo tipo de sistemas de iluminación
artificial basada en lámparas de descarga de alta presión, y
especialmente de lámparas de halogenuros metálicos. El balasto
propuesto puede emplearse para la alimentación desde cualquier red
eléctrica de lámparas para iluminación general, tanto de interior
como de exterior, así como iluminación industrial, de comercios,
estudios fotográficos, estudios de televisión, aplicaciones
domésticas, etc. Por su pequeño volumen y peso resulta muy indicado
para ser incorporado en luminarias de reducido tamaño, en
aplicaciones donde se persiga una determinada estética.
La Figura 1A representa el esquema del balasto
objeto de la invención. Los componentes desde el (1) al (23)
muestran el conexionado de la parte principal del circuito de la
invención. A nivel de bloques se representan el conjunto lámpara y
arrancador (24), y el circuito de control (8), para los que pueden
existir diferentes configuraciones. La Figura 1B muestra las formas
de onda más significativas del circuito de la Figura 1A.
La Figura 2 muestra un circuito capaz de
sustituir el bloque (24) de la Figura 1A. O sea, es una posible
configuración para un arrancador en serie con la lámpara.
La Figura 3 muestra la forma de onda de tensión
de la red y la corriente que el balasto consume a partir de la red
eléctrica.
La Figura 4 enseña las formas de ondas teóricas
de tensión y corriente en la lámpara.
Claims (4)
1. Un balasto electrónico integrado de alto
factor de potencia para alimentación de lámparas de descarga de
alta presión, basado en un convertidor reductor y un convertidor de
retroceso integrados, caracterizado por estar conectado a
fase y neutro por medio de un filtro (1), (2) y (3), seguido por un
rectificador, formado por (4), (5), (6) y (7); caracterizado
porque los cátodos de los diodos (4) y (5) están conectados al
cátodo del diodo (10) y a uno de los terminales de la bobina (9), y
porque el ánodo del diodo (10) está conectado al cátodo del diodo
(17), al ánodo del diodo (16) y al terminal negativo del condensador
(11); caracterizado porque el terminal positivo del
condensador (11) está conectado al otro terminal de la bobina (9) y
a uno de los terminales de la bobina primaria del convertidor de
retroceso (12); caracterizado porque el otro terminal de la
bobina (12) está conectado al cátodo del diodo (16) y al drenador
del interruptor (15); caracterizado porque el terminal fuente
del interruptor (15) está conectado al ánodo de los diodos (17),
(6) y (7); caracterizado porque la parte de salida del
transformador del convertidor de retroceso está formada por dos
bobinas (13) y (14) conectadas entre sí, al terminal negativo del
condensador (20), al terminal positivo del condensador (21) y al
bloque formado por la lámpara y el arrancador; caracterizado
porque el otro terminal de la bobina (13) está conectado al ánodo
del diodo (18); caracterizado porque el cátodo del diodo
(18) está conectado al terminal positivo del condensador (20) y al
drenador del interruptor (22); caracterizado porque el
terminal fuente del interruptor (22) está conectado al drenador del
interruptor (23) y al bloque formado por la lámpara y el arrancador
(24); caracterizado porque el terminal fuente del
interruptor (23) está conectado al terminal negativo del
condensador (21) y al ánodo del diodo (19); y caracterizado
porque el cátodo del diodo (19) se conecta al terminal restante de
la bobina (14).
2. Un balasto electrónico integrado de alto
factor de potencia para alimentación de lámparas de descarga de
alta presión según la reivindicación 1, caracterizado porque
la forma de onda de corriente consumida desde la red eléctrica en
cada semiperíodo de red es proporcional a la tensión de red dentro
de un intervalo de tiempo simétrico con respecto al máximo de la
onda de tensión de red, siendo nula fuera de este intervalo.
3. Un balasto electrónico integrado de alto
factor de potencia para alimentación de lámparas de descarga de
alta presión según la reivindicación 1 caracterizado porque
la onda de corriente aplicada a la lámpara es cuadrada y con valor
medio nulo.
4. Un circuito según reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque cualquiera de sus
interruptores principales es un transistor.
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| ES200501724A ES2296459B2 (es) | 2005-07-06 | 2005-07-06 | Balasto electronico integrado de alto factor de potencia para alimentacion de lamparas de descarga de alta presion. |
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| ES2296459B2 ES2296459B2 (es) | 2008-12-01 |
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Legal Events
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| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20080416 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2296459B2 Country of ref document: ES |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20250728 |