MXJL00000015A - Balastro electronico para lamparas de descarga de alta intensidad empleando circuito con correccion de factor de potencia y cable trenzado. - Google Patents

Abstract

Balastro electronico para operar lamparas de descarga de alta intensidad desde una fuente de CA con alto factor de potencia. El balastro incluye un par de interruptores electronicos arreglados en cpnfiguracion de medio puente y con circuito auto oscilador que tiene dos salida para manejar respectivamente a los interruptores. El circuito ademas incluye elementos magneticos que utilizan un cable trenzado (litz) para minimizar las perdidas del balastro.

Description

Balastro electrónico para lamparas de descarga de alta intensidad empleando circuito con corrección de factor de potencia y cable trenzado.

Campo de la invención , La invención se relaciona con dispositivos para operar lamparas de descarga de • alta intensidad y específicamente a un balastro electrónico que aumenta el factor de potencia y que incluye un cable trenzado (litz) en sus elementos magnéticos.

Antecedentes de la invención Las lamparas de descarga de alta intensidad son fuentes populares do alumbrado debido a su alta eficiencia en la conversión de la energía eléctrica en luz. Su aplicación principal es para el alumbrado publico en calles, avenidas y puentes. Las lámparas de descarga de alta intensidad crean luz mediante el ppco de una corriente eléctrica por un gas o vapor. Tales lámparas presentan una íesistencia negativa a la .fuente de alimentación, es decir, como la corriente a través de la lámpara se incrementa, el voltaje decrece. Además, inmediatamente después del encendido y después de que la lámpara alcanza su temperatura de opeí ación, el voltaje a través de la lámpara es bajo. Como una consecuencia, es necesario incluir en el circuito de fuente de alimentación, un medio que limite la magnitud de la comente de la lámpara. Tipicamente, este medio- es un inducloi magnético conectado en serie con la lámpara a través de una línea de corriente alterna a 60 Hz, lo cual produce el efecto estroboscopio en la lámpara. Los inductores magnéticos son de gran tamaño y muy pesados, lo que los hace costosos, además sus características no lineales constituyen un problema para su aplicación en frecuencias altas. Debido a la resistencia de los devanados y características del núcleo, los inductores disipan cantidades significativas de energía eléctrica en forma de calor. El calor generado no solo disminuye la eficiencia del circuito de energía sino que se requiere que los otros componentes del circuito resistan las altas temperaturas para mantener su confiabilidad.

Para lograr su alta eficiencia las lamparas de descarga de alta intensidad necesitan un circuito de balastro que presente un alto factor de potencia (la relación de la potencia de salida y la potencia de entrada, i.e. la relación de la potencia enviada a la lampara y la potencia tomada de la fuente) y una distorsión armónica baja.

El cable trenzado (litz) o "litzendraht" es comúnmente utilizado para hacer bobinas eléctricas de alta potencia, alta frecuencia y bajas perdidas. El cable esta hecho de un grupo de finos alambres aislados colocados en espiral alrededor de un núcleo central. El gran numero de alambres individuales es utilizado para minimizar el efecto piel.

Actualmente existen balastros electrónicos se han sofisticado a partir de los tempranos diseños bipolares de hace 10 años. Esto se ha dado por las ventajas de los interruptores de potencia MOSFETS que tienen ventajas inherentes en eficiencia.

Este interesante crecimiento en estos nuevos diseños de balastros fue hecho posible por la industria de los semiconductores.

Otro reciente desarrollo ha sido la introducción de chips de circuitos integrados para los MOSFETS de potencia y los circuitos IGBT en circuitos inversores usados en balastros electrónicos conocidos como MOS Gate Drives (MGD) ofreciendo ahorros de costo, peso y espacio sobre los circuitos para emplear transformadores. Como ejemplo de un MGD esta el IR2155 que proporciona una función de auto oscilación adecuada para circuitos inversores de balastros.

Es un objeto de la presente invención proporcionar un circuito barato de balastro electrónico para de lampara de descarga de alta intensidad.

Es otro objeto de la invención proporcionar un balastro electrónico para lampara que opere a un alto factor de potencia.

Es otro objeto de la invención proporcionar un circuito con corrección de factor de potencia.

Los objetos de la invención son realizados por un circuito para operar una carga de una fuente principal CA a un alto factor de potencia (cerca de la unidad).

Breve descripción de las figuras La figura 1 muestra un diagrama eléctrico del circuito de balastro construido de acuerdo con la invención.

Descripción de ia invención Los MGD como el IR 2155 proporcionan capacidades de voltajes de offset de hasta 600 volts dc y diferente de los transformadores de impulsor caros, pueden proporcionar formas de onda super limpias y cualquier ciclo de trabajo de 0-99%.

El IR 2155 tiene funciones de auto oscilación u oscilación sincronizada con los componentes R y C externos.

Un encendido adecuado de la lampara es asegurado porque el circuito es sincronizado por un circuito de sincronización a la frecuencia de resonancia natural. Después de que la lampara enciende, el circuito de sincronización no controla mas la frecuencia la cual se revierte a lo determinado por C y R para después ser determinada por el resistor variable conectado a C por el resistor.

El diseño basado en el IR2155 tiene una frecuencia de operación del cii cuito que es la que recibe la lampara tipo HID para alta presión de sodio y es de aproximadamente 36KHz. El circuito alimenta la lámpara, el cual reduce el voltaje en alterna a aproximadamente de 110 a 127 VCA, con una alimentación de 220 a 60 Hz y posteriormente se transforma a un voltaje de aproximadamente 50V con una corriente promedio de 2 A.

El circuito tiene además integrado un sistema de arranque necesario para iniciar el arco eléctrico requerido por la lampara que es de aproximadamente 3KV, una vez iniciado el arco este sistema se desconecta automáticamente.

También se incluye en una sección del circuito la función para aumentar el factor de potencia, por medio de un filtro activo para mantener el factor de potencia mayor a =0.9.

Características iniciales de diseño: Voltaje de entrada (Vin) = 220 Vac +/- 15% Voltaje min. = 187 V Voltaje max.= 253 V Potencia = 100 W Eficiencia = 90% Distorsión total de armónicos <= 10.0% Ciclo de trabajo = 80 % Voltaje de salida = 253 X 2 /0.8 = 447 V Corriente máxima pico en inductor: lin (t) = ¿?promedio | IL(t)| lin = 1/T | IL x T/2 | = IL/2 lin pico = Ip = llp/2 Ip se calcula asumiendo, una eficiencia del 90% y una potencia Po - 100 w Por lo tanto la corriente pico en el inductor es: llp = 2x (2x100/0.95x 447) = 0.49 A x 2 = 0.995 A Se considera ILp = 1A 7 Diseño del circuito magnético: El reactor es calculado, de acuerdo a dos bases principales: 1. - se asume una frecuencia de operación de 36 KHz , operando o un voltaje de CA nominal la ¡nductancia se calcula mediante la ecuación siguiente: L1 = ¿? (Vo-Vp?/o) t Vp2 / 4Po Donde: ¿?= Eficiencia Vo = salida de voltaje DC (previamente calculado) Vp = Voltaje pico CA T = periodo de conmutación Po= Potencia de salida Se estima una eficiencia en el inductor del 90% L1 = ¿7(447-311.12)/447x 27x10" x (311.12)¿ / 4x 100 L1 = 1839 microH = 1.8 mili Heries Pasos para la selección de núcleo de ferrita y conductor Litz: Conociendo la inductancia se calcula el área del núcleo, mediante la siguiente ecuación empírica: Kg = (¿?/Pcu) x ( L1ILp 2 Donde: L1 = Inductancia requerida (Henries) ¿? X 10"8 ohm/metro B = densidad de flujo (testa) ILp = corriente pico max. Del Inductor (Amp) Pcu = disipación máxima del cobre (Watts) Asumiendo, Pcu = 2.% % de la potencia de salida, 2.5 w Por lo tanto el factor Kg es igual a: Kg=(1.724 x 10"8 123) ( 1.8x 10-9 (1)2 /0.15) = 9.93x 10'12 m5 Se selecciona un núcleo de ferrita tipo ETD, y material N27 (siemens) ya que estos son los recomendados para filtros y potencies desde 100w hasta 600 w.

Y donde Kg = 10x10"12 m5 Ae = 211 mm2 - área efectiva del núcleo Ve = 24,100 mm3 - volumen del núcleo le = 114 mm - Long. Del camino magnético Numero de vueltas: N = ( L1x lLp)/B x Ae = ( 1800 x 10"6 x 1 )0.15 x 211) = 57 vueltas Conductor : Se secciona Litz 83 hilos cal. 24 AWG) y se considera una densidad de corriente no mayor a 3.5 amps / mm2 Calculo del entrehierro (air gap - luftspalt) Ig = ¿? N2 Ae/ L1 Donde ¿? Permeabilidad del aire = 4? X 10 " -7' y por lo tanto Ig = 1 ü mm Se consideran 2mm.

Con referencia a la figura 1 , a partir de la fuente de alimentación CA de 220V +/-15%, se tienen los filtros C1 , C2 y el protector sobrevoltaje VDR1 , para seguir con el rectificador puente de diodos D1-D4, conectado a un circuito para aumentar el factor de potencia por medio del filtro activo para mantener el factor de potencia mayor a 0.9. este filtro consiste del inductor DR2, el diodo D7 y ei transistor Mosfet IRF830 T1, enseguida se encuentran las resistencias R5, R6 y R7 que polarizan en conjunto con el zener D8 a la entrada inversora del comparador LM311 , y termina esta malla con las resistencias R13, R14 y R26 y el capacitor C12 para filtrar el bus de alimentación y cuya carga se drenara cuando el diodo D7 transfiera la energía al inductor DR2. Se encuentra otra malla con otro puente rectificador GL1 después de los filtros compuestos por R1 , R2, C3, C4 y C7, el cual alimenta el IC2 IR2 155 por su pata 1 ; por sus patas 5 y 6 que son las salidas del circuito auto oscilador conecta a los transistores T4 y T5 mediante las resistencias R 11 y R 12 respectivamente, transistores en configuración de medio puente que funcionan como un inversor que proporciona energía desde el bus dc, el IC2 realiza su función de oscilación sincronizada mediante los componentes externos a sus patas 2 y 3 que por un lado conectan respectivamente a la R8 y a la pata no inversora del LM31 I , el IC2 tiene internamente un circuito que proporciona un tiempo nominal muerto de 1.2 microseg. entre salidas para el manejo de la configuración de medio puente. El IC2 mediante su pata 6 conecta por un lado a un capacitor C11 de acoplamiento a la lámpara que esta en serie con el inductor Tr1 y un regulador VDR2 y por otro lado a un diodo zener D10. El IC2 mediante su pata 7 tiene un capacitor adaptador C10 a la pata 8, la pata 8 tiene un diodo D9 alimentado de Vcc que bloquea al voltaje del bus cuando T4 conduce el diodo D9 es un diodo de recupoi ción rápida (< 100 nSeg. ) para asegurar que el capacitor C10 no seo parcialmente descargado cuando el diodo recobre y bloquee el alto voltaje en el bus. El IC2 para prevenir al voltaje del bus de subir el ciclo de trabajo es monitoreado por el nivel del voltaje del bus, esto es realizado mediante un circuito de control de factor de potencia para que el bus sea regulado a un nivel constante. En operación el ciclo de trabajo del transistor T1 es determinado comparando una fracción del voltaje del bus con un divisor de voltaje compuesto por las resistencias R5, R6 y R7 en el comparador IC1 con la referencia de entrada de la entrada positiva, los niveles de entrada del IC2 del circuito de tiempo ocurren a un tercio de Vcc ya que Vcc es regulado por un regulador de voltaje interno y la amplitud de la forma de onda en la terminal 3 del IC1 también es regulada. El comparador IC1 es un LM311 que produce una salida positiva si el voltaje instantáneo en la pata 3 excede una fracción del voltaje del bus determinado por el divisor de voltaje. Así el ciclo de trabajo es modificado por el comparador. El IC2 proporciona una regulación de voltaje aun en el evento de remover la lámpara o circuito abierto, porque cuando ocurre un nivel de bus alto es detectado por el compniador y su salida baja causando que los transistores T2 y T3 bajen y que el ti ^psistor T1 haga una reducción en la energía almacenada en DR2 forzando al voltaje en el bus a permanecer en el rango preestablecido ya que puede ser drenado por C6 hasta que el diodo se polarice y se transfiera la energía de DR2. el transformador TR1 tiene la función de limitar la corriente por la resistencia negativa de la lámpara y dar un pulso de voltaje para encender la lámpara, el pulso para encender la lámpara es derivado del diac GT32 conectado a R27, , D12 y D1 1 en serie y en paralelo con el diodo zener D20, y el diodo D19 con salida a un C 18 en paralelo con un diodo D18 y R25, en paralelo con un capacitor C17 y R24 que derivan a transistor T6 polarizando su base con R23 y su colector con R22 y D16 seguidos del filtro C16 y R21 conectados a través del diac TD1 y la resistencia R20 a la base del tiiistor THY1 que se conecta por su salida a un diodo zener ZPD2V7, un capacitor C15, un capacitor C14 interconectados por una resistencia R18 y que conectan a una resistencia R17 en serie con un diodo D13, llegando :>, tierra del primer puente rectificador mediante el capacitor C13 y a Vcc mediante la resistencia R16 y C5. por su salida el diodo ZPD2V7 polariza al transistor T2 mediante las resistencias R3, R4, R19 y el zener BAT46, la entrada del THY1 es alimentada mediante el diodo D6 y el zener ZPD3V9 y es conectada también a un diodo D17 que conecta a una resistencia R26 por un lado y al colector del transistor T7 por el otro y cuya base esta polarizada por la resistencia R25 y el diodo D18.

Claims (2)

Reivindicaciones:

1.- Un balastro electrónico que comprende el circuito integrado IR2155 con un par de interruptores electrónicos arreglados en configuración de medio puente, el circuito integrado tiene un circuito impulsor auto oscilador que tiene dos salidas para manejar los interruptores electrónicos acoplados al bus de alimentación, un circuito regulador de voltaje acoplado al bus y al circuito impulsor auto oscilador, dicho regulador mantiene al voltaje del bus de alimentación dentro de un rango preestablecido y lo previene de exceder el rango si hay un circuito abierto, un circuito para aumentar el factor de potencia, un circuito de arranque para iniciar el arco eléctrico y cable tipo litz en los componentes magnéticos.

2.- Un balastro electrónico de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizado porque su voltaje de entrada es de 220 VCA a 60 Hz, su potencia es de I 0ÜW, su frecuencia de operación es de 36KHz , su factor de. potencia es mayor a 0.9%, el núcleo de ferrita es tipo ETD y material N27. El numero de vueltas es de 57 y tiene un entrehierro de 2mm.