ITVA20130002A1 - Ballast con protezione elettronica - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione avente per TITOLO; “Ballast con protezione eletronica'’

DESCRIZIONE

Da tempo si à ̈ diffuso l' utilizzo di alimentatori elettronici per l’accensione delle lampade a scarica. L'uso degli alimentatori elettronici per accendere le lampade, al posto di quelli elettromagnetici tradizionali, ha permesso di aumentare l 'efficienza luminosa del sistema lampada-alimentatore, diminuire il peso del corpo illuminante, eliminare il fenomeno degli sfarfallii sui monitor dovuti ai battimenti tra la frequenza di rinfresco delle immagini e le ondulazioni dell' intensità luminosa di lampada sincrone con la frequenza di rete.

Particolarità degli alimentatori elettronici à ̈ Sa capacità di generare tensioni di innesco più elevate rispetto agli elettromeccanici tradizionali, quindi essi sono in grado di accendere anche lampade che con il sistema elettromagnetico tradizionale, basato su reatore magnetico e starter, non si accenderebbero, prolungando la vita media utile del tubo fluorescente.

Questo aspetto ha evidenziato dei problemi nuovi legati al funzionamento delle lampade invecchiate. Le analisi tecniche mostrano che con l'uso i catodi dei tubi fluorescenti perdono la loro efficienza e quando si deteriorano tendono ad emetere meno elettroni. Per mantenere lo stesso livello di corrente all’interno del tubo à ̈ necessario applicare una differenza di potenziale maggiore nella zona del catodo, aumentando la potenza locale dissipata, con conseguente annerimento della zona locale intorno al catodo, Col trascorrere del tempo il surriscaldamento potrebbe portare a temperature pericolose, nei casi estremi, in cui i tubi fluorescenti siano di piccolo diametro con poca capacità di smaltire il calore, si può arrivare anche alla fusione del vetro o dei morsetti di connessione della lampada stessa.

Per evitare questi rischi sono state sviluppate delle protezioni in grado di individuare le lampade vecchie, dette “ protezioni di fine vita†(End Of Life proteetion o EOL, protection in inglese), protezioni che intervengono spegnendo l' alimentatore elettronico quando le lampade sono giunte a fine vita, prevenendo la formazione di sovra-temperature pericolose sui tubi fluorescenti.

Le analisi sperimentali mostrano che il fenomeno del invecchiamento avviene principalmente in modo asimmetrico: esiste un catodo più debole che inizia a deteriorarsi per primo e quando inizia il deterioramento la temperatura in prossimità di detto catodo aumenta, accelerandone ulteriormente il deterioramento.

La presenza di un catodo deteriorato e uno meno deteriorato crea un verso preferenziale in cui la lampada conduce meglio, la lampada diventa asimmetrica e inizia a manifestare un effetto rettificante: a parità di tensione applicata ai capi della lampada c’à ̈ un verso in cui la corrente circolante nella lampada à ̈ più elevata,

Nello schema di figura 1 sono presenti gli elementi essenziali di un ballast elettronico che alimenta un tubo fluorescente.

Il blocco input stage preleva energia dalla rete tramite ì terminali AC1 e AC2, fornisce una tensione continua ai capi dei terminali P e G, P à ̈ il terminale avente polarità positiva, il potenziale del punto G à ̈ assunto come zero, Vp à ̈ il valore della tensione presente sul terminale P, Al suo interno può essere presente un rettificatore tradizionale o un PFC.

Q1 e Q2 formano un semiponte che fornisce un onda quadra con un duty cycle del 50%, durante un semiperiodo conduce il mosfet Q2, durante l’altro il mosfet Q1. Il blocco input stage contiene il circuito elettronico che pilota i mosfet del semiponte.

La forma d’onda della tensione presente sul nodo C, uscita del semiponte, à ̈ rappreseti tata in figura 2, in pratica à ̈ un onda quadra con duty-cycle del 50% e valore massimo Vp, f à ̈ la frequenza di commutazione del semiponte, T=1/f à ̈ il periodo.

Se la lampada (LAMP) à ̈ simmetrica cioà ̈ ha lo stesso comportamento durante entrambe le semionde, in condizioni di equilibrio dopo i transitori iniziali, su C2 si stabilisce una tensione Va pari a Vp/2. La differenza dì potenziale tra i nodi C ed A, quindi ai capi del circuito di lampada costituito da L1, LAMP e C1, à ̈ un’ onda quadra a valore medio nullo, la sua forma d’onda rappresentata in figura 3, Il fatto che in condizioni di equilibrio su C2 à ̈ presente una tensione media pari a Vp/2 può essere dimostrato dagli esperti di settore con semplici passaggi matematici, sì può arrivare allo stesso risultato anche considerando che in condizioni di equilibrio la corrente media circolante in un condensatore deve essere nulla, se così non fosse il condensatore continuerebbe ad aumentare la differenza di potenziale ai suoi capi se la media risultante fosse una corrente entrante, viceversa continuerebbe a diminuire la differenza di potenziale ai suoi capi se la corrente media risultante fosse una corrente uscente dai condensatore.

Data la simmetria del circuito si comprende che la corrente media circolante nel condensatore à ̈ nulla quando Va=Vp/2, perché solo in queste condizioni il carico L1,C1,LAMP vede una tensione simmetrica come in figura 3 e solo in queste condizioni la corrente assorbita durante l’intervallo T1, data la simmetria, à ̈ mediamente uguale e opposta a quella assorbita durante l’intervallo T2.

In presenza di effetto rettificante sulla lampada si crea un "asimmetria nel circuito: una lampada asimmetrica alimentata con una tensione simmetrica tende ad assorbire una corrente maggiore durante una semionda rispetto all’altra, il valor medio della corrente circolante nella lampada non à ̈ più nullo, il condensatore C2 reagisce variando la sua differenza di potenziale, fino a raggiungere un nuovo equilibrio, con Va diversa da Vp/2, in cui la corrente media circolante in C2 à ̈ di nuovo nulla.

Con queste considerazioni si comprende che in presenza di effetto rettificante della lampada, il valor medio della tensione ai capi di C2 si scosta dal valore originario Vp/2.

Basandosi su queste considerazioni sono stati proposti dei sistemi per rivelare la condizione di fine vita.

Il documento US5808422 legge la tensione presente su C2 tramite un partitore e rileva un eventuale sbilanciamento mediante una coppia dì comparatori, uno controlla il superamento di un limite massimo prefissato, l’altro il calo al di sotto di un valore minimo prefissato. Lo sbilanciamento genera il segnale di fine vita. L’esempio à ̈ visibile nella figura principale di detto documento.

Il documento EP1404162, legge la tensione presente sul condensatore C2 alla prima accensione, ne memorizza il valore, ed in seguito confronta il valore presente su C2 durante le accensioni successive, generando il segnale di fine vita raggiunta quando la differenza supera una soglia predefinita.

Il documento US7,786,679 in pratica confronta una corrente proporzionale alia tensione presente su C2 con una corrente proporzionale alla tensione Vp di alimentazione del semiponte, in questo modo à ̈ in grado di correggere eventuali variazioni di tensione su C2 dovute a variazioni della tensione di alimentazione Vp del semiponte.

Questi metodi sono sensibili alle asimmetrie del duty-cycle del convertitore principale, eventuali variazioni del duty-cycle dovute a tolleranze dei componenti, capacità parassite, oscillatori di pilotaggio a basso costo, provocherebbero variazioni sulla tensione ai capi di C2 interpretate come asimmetrie di lampada, col rischio di attivare precocemente la protezione, lampade ancora utilizzabili sarebbero segnalate come a fine vita, nei casi peggiori, si potrebbe avere l'attivazione della protezione con lampade quasi nuove.

Il presente trovalo anziché monitorare la tensione presente su C2, monitora la differenza esistente tra il valor medio della tensione presente su C2 (valor medio tensione nodo A di Fig, 1 ) e il valor medio della tensione fornita dal semiponte (valor medio della tensione presente sul nodo C di Fig, 1).

Con questa soluzione si ottiene vantaggiosamente una protezione in grado di compensare contemporaneamente sia le variazioni della tensione di alimentazione del semiponte Vp, che del dutycycle D di funzionamento del semiponte stesso.

Si esamini il circuito di fìg.4 a cui da qui in poi, salvo indicazioni contraria, la descrizione si riferisce. Se la lampada (LAMP) à ̈ nuova e simmetrica, si ricava facilmente che la condizione di equilibrio su C2 à ̈ Va=D*Vp, ma anche Vb=D* Vp (se la costante R1*C3 à ̈ sufficientemente grande rispetto al periodo della frequenza di commutazione f dei semiponte la tensione Vb à ̈ il valore medio di Vc, come si può dimostrare facilmente), quindi AV-Va-Vb=(D*Vp)D*Vp)= 0 e se si ha una variazione del duty-cycle D=T1/T (Fig. 3) la differenza tra le due tensioni rimane nulla.

Se invece si ha un’asimmetria di lampada la tensione ai capi di C2 non sarà più Va=D*Vp, a causa dello sbilanciamento si può scrivere Va=D*Vp+ε dove ε à ̈ un valore che dipende dai livello di asimmetria, quindi si ha ΔV= Va- Vb=( D * Vp+ ε)-(D*Vp)= ε,

Monitorando Va-Vb à ̈ quindi possibile individuare in modo preciso la presenza di una lampada invecchiata con effetto rettificante.

Nella Fig.4 sono rappresentati gli elementi principali di un ballast che utilizza il presente trovato. Il blocco 10 (Input Stage) à ̈ lo stadio d’ingresso, che preleva energia dalla rete AC fornendo in uscita una tensione continua ai capi delle linee P e G, P à ̈ la linea avente polarità positiva, detto blocco può contenere uno stadio PEC (Power Factor Corrector), si può realizzarlo in svariati modi, come noto agli esperti di settore.

Q1 e Q2 formano un semiponte (20), nel circuito di lampada (40) sono presenti l’induttore L1 che limita la corrente circolante nella lampada LAMP , C1 à ̈ il condensatore risonante utilizzato durante l’accensione per innescare la lampada, il circuito di lampada (40) si collega a C2, che à ̈ il condensatore utilizzato per eliminare la componente OC.

Va à ̈ il potenziale del nodo A, assumendo a potenziale zero la linea G, Va à ̈ la tensione ai capi di C2, R 1 e C3 formano un filtro RC.

Tale filtro RC à ̈ dimensionato in modo tale da garantire una costante di tempo molto più elevata del periodo T=1/f, dove f à ̈ la frequenza di commutazione del semiponte formato da Q1 e Q2, in queste condizioni nel nodo B si ha una tensione Vb pari al valor medio della tensione Vc del nodo C, centro del semiponte.

Il blocco '†̃control stage†(30) à ̈ lo stadio di controllo che pilota il semiponte, in aggiunta alle funzioni classiche (preriscaldo-innesco- della corrente nel semiponte) contiene un circuito idoneo monitorare la differenza esistente tra le tensioni medie presenti sui nodi B ed A, spegnendo il semiponte nel caso in cui tale differenza, durante il funzionamento normale con lampada accesa, raggiunga un limite prefissato,

Tale circuito può essere realizzato in diversi modi, ad esempio si possono usare dei partitori resistivi per ridurre le tensioni sui nodi B ed A a valori misurabili tramite circuiti analogici o tramite dei convertitori AD (Analogico Digitali) presenti all’interno di un microprocessore.

Il concetto caratterizzante rimane il monitoraggio della differenza esistente tra il valor medio della tensione di centro-ponte (nodo C) e il valor medio della tensione presente su C2 (nodo A).

Questo trovato può essere applicato anche alle lampade a scarica a due morsetti, come ad esempio le HID, il concetto rimane sempre quello di monitorare la differenza esistente tra la media della tensione sui centro-ponte e la media della tensione presente sul condensatore C2 utilizzato per bloccare la componente DC.

In serie a C2 può essere collegato un condensatore C3 (non rappresentato nello schema di fig.1) connesso alla linea P (tra il nodo A e la linea P di fig.4), à ̈ una variante ovvia da considerarsi compresa nel presente trovato.

Per evitare attivazioni anomale della protezione, la protezione stessa può essere tenuta disabilitata durante il transitorio iniziale, ad esempio fin tanto che la lampada o le lampade alimentate dal ballast non si siano accese, oppure fin tanto che la tensione presente ai capi di C2 non abbia raggiunto il suo valore di equilibrio stabile.

Nell’esempio di fig.4 l’onda quadra à ̈ generata tramite un semiponte, sono da considerarsi compresi nel presente trovato anche i casi in cui l’onda ha una forma diversa, ad esempio trapezoidale, generata ad esempio tramite oscillatori economici costituiti anche da un solo transistor quali gli oscillatori bloccati, noti agii esperti di settore, per questo motivo nelle rivendicazioni si parlerà di tensione oscillante a valor medio non nullo, fermo restando il concetto di monitorare la differenza esistente tra il valor medio della forma d’onda presente allingresso del circuito di lampada (nodo C nell’esempio di fig.4) e il valor medio della tensione presente sul condensatore utilizzato per eliminare la componente DC.

Si intendono comprese nei presente trovato anche le altre ovvie varianti e modifiche evidenti agli esperti di settore.

Claims (3)

1. TITOLO dell' invenzione: “Ballast con protezione elettronica†1 ) Ballast elettronico per lampade a scarica contenente un primo circuito (20) in grado di fornire tra la sua uscita ( C ) e una linea di riferimento (G) una differenza di potenziale oscillante a valor medio non nullo, un secondo circuito comprendente almeno un circuito risonante e una o più lampade a scarica (40) collegato tra l’uscita ( C ) di detto primo circuito e il primo terminale di un primo condensatore (C2) avente lo scopo di bloccare la componente continua della tensione fornita dal primo circuito, il secondo terminale di detto primo condensatore collegato alla linea di riferimento (G), caratterizzato dalla presenza di una protezione che rileva la differenza tra il valor medio della differenza di potenziale presente ai capi del primo condensatore e il valor medio della differenza di potenziale oscillante fornita dal primo circuito generando un segnale elettrico di allarme quando detta differenza rilevata supera una soglia predefinita.
2. 2) Ballast elettronico in accordo alla rivendicazione 1 , caratterizzato dalla presenza di un primo partitore resistivo collegato tra Tuscita del primo circuito e la linea di riferimento, un secondo partitore resistivo collegato tra il primo polo del primo condensatore e la linea di riferimento, l' uscita di ogni partitore filtrata tramite un condensatore, uno per ogni partitore, al fine di ricavare all'uscita di ogni partitore una tensione media di valore più basso applicabile a circuiti elettronici operanti a bassa tensione.
3. 3) Ballast elettronico in accordo alla rivendicazione 2, caratterizzato dalla presenza di un microprocessore con almeno due ingressi dotati di convertitore A/D e dall’applicazione delle tensioni fomite dai due partitori menzionati nella rivendicazione 2 ad altrettanti ingressi di detto microprocessore dotati di convertitori A/D. RIVENDICAZIONI 4) Ballast elettronico in accordo alla rivendicazione 3, caratterizzato dalla presenza di un algoritmo inserito nel firmware del microprocessore che media ulteriormente i due valori di tensione letti dagli ingressi A/D del microprocessore e quando la differenza tra i due valori medi risultanti supera una soglia prestabilita genera il segnale di allarme. 5) Ballast elettronico in accordo alla rivendicazione 2, caratterizzato dalla presenza di un circuito analogico avente due ingressi ai quali sono applicati le tensioni fonite dai due partitori citati nella rivendicazione 2, detto circuito analogico genera alla sua uscita il segnale di allarme quando la differenza tra le due tensioni applicate ai suoi ingressi supera un valore prestabilito. 6) Ballast elettronico in accordo a una delle rivendicazioni 4 o 5, caratterizzato dal fatto che il segnale di allarme generato dalla protezione à ̈ utilizzato per spegnere la una o più lampade alimentate dal ballast stesso. 7) Ballast elettronico in accordo alla rivendicazione 6, caratterizzato dal fato che la protezione viene tenuta disabilitata fino a quando la una o più lampade alimentate dal ballast non si sono accese. 8) Ballast in accordo alla rivnndicazione 4, caratterizzato dal fatto che la protezione viene tenuta disabilitata dal microprocessore fino a quando il microprocessore non identifica che la tensione media ai capi del primo condensatore ha raggiunto un valore di equilibrio stabile.