ELEJ. S.ELT. D.G.X.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLOGICO

cenidet DESARROLLO DE UN BALASTRO ELECTRONIC0 CON ALTO FACTOR DE POTENCIA, UTILIZANDO

TECNICAS DE CONVERSION C D K D PARA LAMPARAS FLUORESCENTES

T E . S I S P A R A O B T E N E R E L G R A D O D E :

M A E S T R O E N C I E N C I A S EN I NGENl ER I A ELECTRON ICA I R E S E N T A i R A U L A N T O N I O O R T I Z

DIRECTOR DE TESIS:

DR. JAIME AR4U ROFFIEL

CUERNAVACA, MORELOS FEBRERO 1995

S&WA NACIONAL DE INSTITUTOS TECNOLQGICOS

CENTRO NACIONAL DE IMVESI'IGACION Y DESARROLLO TECNOLOGICO

ACADEMIA DE LA MAESTRIA DE ELECTRONICA

FORMA R9

ACEPTACION DEL TRABAJO DE TESIS

Cuernavaca, Mor.,) B .s ,rfaC-h /%

C. Victor Manuel Alvarado Martinez Jefe de la Maestrla de Electr6nica C E N I D E T

Después de haber revisado el trabajo de tesis titulado: DESARROLLO DE UN BALASTRO ELECTRONIC0 CON ALTO FACT OR DE POTENCIA.UTILIZAND0 TECNICAS DE CONVERSION CDlCD PARA LAMPARAS FLUORESCENTES elaborado por el alumno: ha. Raúl Antonio Ort iZ y dirigido por el C. Dr. Jaime Arau Roffiel el trabajo presentado se ACEPTA.

A t e n t a rn e n t e.

C.C.P.: Presidente de la Academia Director de Tesis Alumno Tesista

- 9 5 6 .f@2

lai&or intenado Paimira S/N C.P. 62490 Apartada postSl5-164, C.P. 62050, Cuernavaeu Mor., MeWico cenidet/

Tels. (73) 18-77dl y 12-7613, Fax. 12-24-34

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Cuernavaca, Mor., febrero 7 de 1995.

Ing. Raúl Antonio Ortíz Candidato al Grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería Electrónica P r e s e n t e

Después de haber sometido a revisibn su trabajo final de tesis titulado:

"DESARROLLO DE UN BALASTRO ELECTRONIC0 CON ALTO FACTOR DE POTENCIA, UTILIZANDO TECNICAS DE CONVERSION CD/CD PARA LAMPARAS FLUORESCENTES"

y habiendo cumplido con todas las indicaciones que el J U - rad0 revisor de tesis le hizo, se le comunica que se le concede autorizaci6n para que proceda a la impresión de l a misma. comocequisito para la obtenci6n del grado.

Jefe del Departamento de Ingeniería Electr6nica

~ ~- :~. !5. I. I,,' . :#. : , .. !) ... ~ ) . ,," :, i,,.: I,:,: !$L i v y i..: i ~ ' . ? , l i . . . _ . . . . .i.ií!W

/j .i ... \ " .

C.C.P.: Oepto. de Servicios Escolares

.. . . . . . .

Interior Internado Palmira S/N C.P. 62490 Apartado Postal 5-164, C.P. 62050 Cuernavaca, Mor. México

Tek (73) 18 77 41 y (73) 12 76 13 cenidet/

DEDICA TORM

Dedico este trabqE0 con mucho ciuiño y amof a mi f d a

Gracias Madre.. .

Gracias Padre.. .

Gracias Hermanos.. .

Gracias Marcia Lorena.. .

Por todo el apoyo, confianza y "paciencia " que me han tenido.

RECONOClMlEN TOS

Deseo agradecer el apoyo y ayuda recibida por todas aquellas personas e instituciones que cooperaron en la realización y terminación de esta tesk: al Dr. Jaime Arau R O W por la dirección de este trabajo, al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnoiogfa {CONACYT), al Centro Nacional de lnvestigaci6n y Desarrollo Tecnoldgico ICENIDET. por el apoyo econ6mico y la oportunkiad de estudiar, al Ing. David Abud Archila, M. C. Albetto Campos vidente, M.I. Hugo CaUeb Gjumlich, M.C. Gikiardo Jimenez Mungufa y a todos b s compañeros y amigos que contribuyeron de alguna manera con sus comentarios, c a y sugerencias.

INDICE

tndice

Pag . i

Simbologia iii

Lista de figuras y tablas

Objetivos y Resumen ¡-I

iv

Capítulo 1 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE ILUMINACION FLUORESCENTES 1-1

1 ,l Ahorro de Energía en los Sistemas de Iluminación 1.2 Sistemas de Iluminación iS.1.) Fluorescentes 1.2.1 Descripción General de las Lámparas 1.2.2 Física del Tubo Fluorescente 1.2.3 Componentes del Tubo Fluorescente

1.2.4 Evolución de los Balastros Electrónicos en los Sistemas de

1.2.5 Parámetros Importantes para el Diseño de Balastros Electrdnicos

1.2.3.1 Características de funcionamiento del Tubo Fluorescente

Iluminación Fluorescentes

1.3 Propuesta de Desarrollo

1-1 1-2 1-2 1-4 1-5 1-7

1-8 1-9 1-9

Capítulo 2 BALASTROS PARA LAMPARAS FLUORESCENTES 2-1

2.1 Clasificación de los Balastros 2.1.1 Balastros electromagnéticos 2.1.2 Balastros electrónicos

2.1.2.1 Autooscilantes 2.1.2.2 PWM y FM 2.1.2.3 Corrección del FP en Balastros Electrónicos

2.1.3 Algunas consideraciones para el diseño del prototipo de balastro electrónico

Capítulo 3 ASPECTOS CRlTlCOS DE DlSEfiO Y RESULTADOS

2-1 2-1 2-4 2-4 2-6 2-8

2-8

3-1

3.1 Especificaciones del prototipo 3-1 3.2 Aspectos críticos de diseño 3-1 3.2.1 Etapa de Potencia 3-2

3-2 3-6 3-1 1

3.2.1.1 Etapa de CFP (Boost) 3.2.1.2 Etapa de manejo a la lámpara

3.2.2 Estrategia de Control

3.3 Resultados experimentales 3-14

Capítulo 4 ANALISIS DE OTRAS ALTERNATIVAS PARA LA ETAPA DE CFP 4- 1

4.1 Otras alternativas para la etapa de CFP.

4.2 Comparación de Resultados Boost, Sepic y Cuk (CFP) 4.3 Alternativas de la etapa de Manejo a la Lámpara

4-1 * 4-2

4-4 4.1.1 Convertidores Correctores del Factor de Potencia Sepic y Cuk

4-a

Capítulo 5 CONCLUSIONES 5- 1

REFERENCIAS i-iv

APENDICES . '

"A" Parámetros Importantes en el Diseño de Balastros E'lectrónicos

"6" Publicación de Trabajos i-viii

" ¡-vi

ii

SlMBOL001A

BEM Balastros ElectroMaQnéticos. I,,, corriente en la lámpara.

BE Balastros Electrbnicos. c comente del primario.

B,, Densidad de flujo de saturacidn máxima. I, corriente de pico máxima.

E,, Densidad de flujo de saturacidn. L inductancia.

CA Corriente Alterna. Lr inductancia resonate.

CD Corriente Directa. Im lumenes.

CFP Correccidn del Factor de Potencia. MCC Modo de Conduccidn Continuo.

C. Capacitor de salida. MCD Modo de Conducci6n Macontinuo.

c.m. circular mil. MCP Modo Corriente Promedio.

Cr Capacitor resonante. mH miliHenrioo.

A/ rizo de corriente. mS miliSegundos.

D, ciclo de trabajo. i) Eticientie.

O,, ciclo de trabajo máximo. PC Computadora Personal.

EM ElectroMagnBtico. Pw Potencia de entrada.

EM1 ' Interferencia ElectromagnBtica. Po, Potencia de salida.

ER Emulador de Resistencias.. : PWM Modulacidn por Ancho de Pulso.

FP' Factor de Potencia. RF Radio Frecuencia;

FM Modulacidn en Frecuencia. TC Transformador de Corriente.

F. Frecuencia de conmutacibn. THD Distorsidn Armdnica Total.'

Hz Hertz. Vca Vo'b de corriente alterna.

KHz KiloHertz. V, Volts de corriente directa.

KW-H Kilowatt-Hora.

I, ' densidad de corriente. V, . Voltaje de entrada pico.

, . .. . .

.~

. ..

', V,,,' VoWie de salida. . . . .

1, corriente promedio de entrada. V,,,, Voltaje de entrada. . . .

v,, Vottaje en ia iámpaca. .'

W Watts. Id corriente promedio en el diodo. . .

1, corriente promedio en el inductor.

iii

LISTA DE FIGURAS Y TABLAS

Figura Página

1.1 Ejemplo de ahorro de energía de lámpara fluorescente vs incandescente. 1-2

1.2 Gráfico comparativo de distintos tipos de lámparas

1.3 Tubo Fluorescente.

1-4

1 -'5

1.4 Circuitos típicos de funcionamiento. 1-8

1.5 Rendimiento luminoso de las lámparas fluorescentes en función de la frecuencia de la tensión de alimentación, con consumno de potencia constante. 1-10

2.1 Clasificación de los balastros. 2-1

2.2 2-2

2.3 Detalle de componentes de un balastro EM. 2-3

2.4 2-4

2.5 Circuito típico de balastro Electrónico Autooscilante. 2-5

Circuito eléctrico de arranque por cebador de un balastro EM.

Corriente (IlN) y voltaje WIN) de línea de un balastro EM con alto FP.

2.6 a) Corriente y voltaje de línea de un balastro electrónico autooscilante sin CFP y b) corriente (I,,,,) en la lámpara.

Diagrama eléctrico simplificado del balastro electrónico con control PWM.

2-6

2.7 2-7

2.8 Circuito ER como etapa de corrección activa del FP.

2.9 Topología "Boost" con control modo corriente promedio.

2.10 Inversor "Push-Pull" como "driver" de la lámpara.

3.1 Diagrama a bloques del circuito ("Boost") CFP activo.

3.2 Formas de onda del convertidor "Boost" en modo de conducción continuo: a) interruptor "on", b) interruptor "off".

3.3 Inversor CDlCA en configuración "Push-Pull" como manejador de la lámpara.

3.4 Curva de Histéresis de un núcleo magnético típico (sin entrehierro).

3.5 Red amortiguadora impiementada al transformador del "Push-Pull".

2-8

2-9

2-10

3-2.

3-3

3-7

3-8

3-10

iv

. . .

3.6 Étapa de potencia ("Boost") y lazos de CMCP.

3.7 Formas de onda de voltaje y corriente de linea del convertidor "Boost" con

3-1 1

corrección del FP del prototipo de balastro electrónico. 3-14

3.8 Formas de onda de corriente y voltaje de alimentación a la lámpara del prototipo de balastro electrónico. 3-1 5

3.9 Formas de onda de: a) voltaje y b) corriente en el capacitor resonante del prototipo de balastro electrónico. 3-1 6

3.10 Gráficas del FP vs V,, 3-1 6

3.1 1 Gráficas del THD vs V,, 3-1 7

3.1 2 Gráfica de eficiencia vs Vca del prototipo de balastro electrónico.

3.1 3 Fotografía del prototipo de balastro electrónico que incorpora CFP.

4.1 Convertidores a) "Sepic" y b) "Cuk" con control modo seguidor de voltaje.

4.2 Influencia de las variaciones de V, vs Voltaje de salida de las tres topologías implementadas.

4.3 Variación del THD vs VI, de las tres topologías implementadas.

4.4 Variación del FP vs VI, de las tres topologías implementadas.

4.5 Formas de onda de voltaje y corriente de línea del convertidor "Boost".

4.6 Formas de onda de voltaje y corriente de línea del convertidor "Sepic".

4.7 Formas de onda de voltaje y corriente de línea del convertidor "Cuk".

5.1 Sistema con etapa única de CFP para alimentacidn de "n" BE.

Tabla 1 Diámetros, longitudes y potencias de los Tubos Fluorescentes.

Tabla 4.1 Solicitaciones eléctricas de las topologías "Boost", "Sepic" y "Cuk".

3-1 7

3-18

4-3

4-4

4- 5

4-6

4-6

4-7

4- 7

5-2

1-6

4-4

. . . .

V

OBJETIVOS Y RESUMEN

La demanda actual de energía eléctrica en nuestro país, al igual que en el resto del mundo, aumenta cada día con un ritmo de crecimiento más grande que al de la capacidad de producción. Por este motivo, en la actualidad se buscan estrategias que permitan lograr un uso más eficiente de la energía eléctrica.

Por otro lado, la mayoría de los equipos electrónicos (como PC's, Balastros electrónicos, etc.) actuales tienen Factores de Potencia (FP) entre 0.5 y 0.7; esto significa a grosso modo, que durante el funcionamiento de estos equipos se requiere en un momento dado el doble de la energía eléctrica que se requeriría si el mismo equipo tuviera un FP igual a la unidad. Tratar de corregir esta situación en las nuevas generaciones de este tipo de equipos, es una alternativa que hace posible que se aproveche más eficientemente la energía eléctrica entregada por la red de distribución, impactando directamente en un ahorro significativo de energía.

En la actualidad, los Sistemas de Iluminación (SI) fluorescentes han tomando una gran importancia, dadas las ventajas significativas de estos sobre las lámparas incandescentes (entre otras, el tener de tres a cinco veces más alta eficiencia de iluminación).

AI trabajar la lámpara fluorescente en alta frecuencia, por encima de los 25KHz. la eficacia de la lámpara es incrementada aproximadamente de 1 O a 20% comparada con la obtenida a frecuencias entre 50-60Hz 141. Por esta razón los balastros electrónicos en alta frecuencia son muy atractivos debido a que garantizan un ahorro de energía en un promedio de 20 a 25% í21 para los mismos niveles de salida de luz. Los balastros EiectroMagnéticos (EM) tradicionales efectuan la corrección de FP de manera pasiva (FP=O.9), por lo que se torna interesante el hecho de poder desarrollar un balastro electrónico en alta frecuencia que incorpore corrección activa del FP.

Un aspecto importante a abordar en esta tesis es el evaluar la manera de implementar una etapa que realice la corrección activa del FP; para lo cual se pensó en la utilización de convertidores CDlCD en alta frecuencia. Los convertidores factibles de poder ser utilizados como etapas de CFP, podrían ser el elevador ("Boost") y las topologías derivadas de la reductora-elevadora, como por ejemplo los convertidores "Sepic" y "Cuk".

Con este amplio panorama de oportunidades de desarrollo, los objetivos que motivaron a este proyecto de tesis se pueden sintetizar en dos objetivos claramente diferenciados:

Objetivo General :

- Asimilación de la tecnología de Corrección del Factor de Potencia (CFP) en el diseño de equipos electrónicos en torno a los convertidores CD/CD con estructura PWM, para su aplicación en el diseño de sistemas de alimentación que incorporen la capacidad de CFP, para aplicaciones en los sistemas de iluminación.

i-i

Objetivo Particular :

- Desarrollo de un Balastro Electrónico con alto factor de potencia, utilizando técnicas de conversión CDlCD en alta frecuencia para lámparas fluorescentes.

Resumen:

Los recientes avances y mejoramiento en las tecnologías de lámparas fluorescentes Y balastros ha tenido como resultado una ganancia sustancial de eficiencia, en iluminación (Imlw), en la vida útil de la lámpara, en balastros (características eléctricas), y por consiguiente un incremento en el ahorro de energía de los sistemas de iluminación

. fluorescentes.

En este trabajo de tesis se propone el desarrollo de un balastro electrónico, que incorpore corrección activa del FP, para el manejo de lámparas fluorescentes del tipo arranque rápido F40W T-12. Para lo cual se concibió que el prototipo fuera implementado en dos etapas. En la primera etapa, para la CFP se escogió un convertidor CD/CD del tipo elevador ("Boost") en Modo de Conducción Continuo (MCC), debido a las prestaciones que este convertidor ofrece [ I 11. La técnica de control que se utilizó para este convertidor fue el control Modo Corriente Promedio (MCP). Cabe mencionar que en esta etapa de CFP se llevó a cabo un análisis comparativo en forma práctica, en la que también se probaron dos topologfas más que fueron el convertidor "Sepic" y "Cuk" en modo de control seguidor de tensión. Estas dos topologías fueron desarrolladas de manera independiente a este proyecto de tesis y no fueron implementadas al balastro como etapa de corrección activa del FP. En la etapa de manejo a la lámpara, se usó un convertidor CDKA en configuración "Push-Pull", en el que se utilizó la técnica de control PWM para el manejo de la lámpara fluorescente.

La utilización de balastros electrónicos en alta frecuencia dentro del rango de 20 a 50KHz [6,71, hace que se presenten menores pérdidas de potencia y favorece los procesos físicos de la descarga (sección 1.2.21, logrando quelse tenga un mejor aprovechamiento de las Caracterfsticas de dicha lámpara, y resolvi6r)dose además problemas tales como el de parpadeo (flickering), ruido audible, ruido qe Interferencia Electromagnética (EMI), e interferencia de Radio Frecuencia (RF), reflejápdose esto en un menor consumo de energía y consecuentemente en un menor costo, en el sentido de un alargamiento en la vida útil de la lámpara fluorescente.

Cabe mencionar que este trabajo de tesis form6 parte de un proyecto de colaboracidn entre el Departamento de Electrdnica del lnsfituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) y el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) denominado "Asimilación de la Tecnología de Corrección Bel Factor de Potencia en el Diseño de Equipo Electrónico".

I En el Capitulo 1 de esta tesis se mencioTan las ventajas del uso de los Sistemas de Iluminación 6.1.1 fluorescentes con respecto a los sistemas de iluminación incandescentes tradicionales. También se presentarán las características más importantes de las lámparas

i-ii

I

fluorescentes y el principio de funcionamiento (fisica) de la misma, asi como también los aspectos para el diseño de balastros electrónicos, además de la evolución de los mismos. Con todo lo antes mencionado se planteará la propuesta de desarrollo de un prototipo experimental de balastro electrónico.

En el capítulo 2 se habla de la evolución de los distintos esquemas de balastros para lámparas fluorescentes, tanto como de los electromagnéticos, como de los electrbnicos. También se mencionan algunas de las especificaciones que se tomaron en consideración para el diseño del prototipo de balastro electrónico, presentado en esta tesis.

En el capítulo 3 se presentan las especificaciones del prototipo del balastro electrónico propuesto anteriormente (capítulo 21, así como los aspectos críticos en el diseño del mismo, tanto en la etapa de CFP como en la etapa de manejo a la lámpara fluorescente. También se presentan los resultados obtenidos en cada una de las etapas antes mencionadas.

En el capítulo 4 se aborda el análisis comparativo de los distintos esquemas de topologías ("Cuk", "Sepic" y "Boost") empleadas como circuitos para la corrección activa del FP. También se darán los resultados obtenidos de cada una de las topologias antes mencionadas como etapas de CFP. Los resultados presentados son el THD (Distorsión Armónica Total, por sus siglas en inglés), FP y voltaje de salida normalizado en función de variaciones de la tensión de alimentación de línea de CA, así como también se menciona el tipo de control implementado para las diferentes topologias estudiadas.

Las conclusiones de este proyecto de tesis, así como algunas sugerencias de investigaciones futuras como posibles extensiones de este trabajo, son presentadas en el capítulo 5.

En la parte final de esta tesis son presentadas las referencias bibliográficas utilizadas para el desarrollo de este trabajo. Además de la inclusión de dos apéndices. En el apéndice "A" se presentan las definiciones de los parámetros importantes en el diseño de balastros electrónicos, en el apéndice "6" se presentan las portadas de los trabajos publicados en relacion con este trabajo de tesis.

i-iii

Capítulo 1 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE ILUMINACION

FLUORESCENTES

1.1 Ahorro de Energía en los Sistemas de lluminaci6n

1.2 Introducci6n a los Sistemas de Iluminaci6n Fluorescentes

1.2.1 Descripcibn General de las Lámparas

1.2.2 Física del Tubo Fluorescente

1.2.3 Componentes del Tubo Fluorescente

1.2.3.1 Características de funcionamiento del Tubo Fluorescente

1 2 . 4 Evoluci6n de los Balastros Electr6nicos en los Sistemas de Iluminación Fluorescentes

1 2 . 5 Parámetros Importantes para el Diseño de Balastros Electr6nicos

1.3 Propuesta de Desarrollo

CAflTULO 1

INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE ILUMINACION FLUORESCENTES

INTRODUCCION

En este capítulo se tratarán las ventajas del uso de los Sistemas de lluminación iS.l.1 fluorescentes con respecto a los sistemas de iluminación incandescentes tradicionales. También se presentarán las características más importantes de las lámparas fluorescentes; el principio de funcionamiento (flsica) de la misma, asl como también los aspectos para el diseño de balastros electrónicos, además de la evolución de los mismos. Con todo lo antes mencionado se planteará la propuesta de desarrollo de un prototipo experimental de balastro electrónico.

I

1.1 AHORRO DE ENERGIA EN LOS SISTEMAS DE ILUMINACION

En la actualidad los Sistemas de Iluminación (SA) fluorescentes son de gran popularidad debido a su ventajosa relacidn Iúmeneslwatts frente a la que se obtiene con las lámparas incandecentes tradicionales, lo que se traduce en una considerable reduccidn de costo de operación. Los fabricantes de este tipo de S.1. hacen un esfuerzo constante para mejorar la calidad, eficiencia y costo de sus productos. Este esfuerzo se aplica en dos direcciones [l]: 1) el propio tubo fluorescente, con el fin de obtener mejor rendimiento luminoso se han hecho cambios en la composición de los gases de llenado o composición de las sustancias fluorescentes. 2) el sistema de alimentación al tubo (balastro), el cual se utiliza para obtener la ignición de la lámpara y limitar su corriente de operación. Los balastros de estado-s6Hdo (electrónicos) en altas frecuencias para fuentes de luz fluorescentes ofrecen ventajas considerables sobre los balastros electromagnéticos. Por esta razón los baiasfros electrdnicos son muy atractivos ya que permiten realizar un mayor ahorro de energía, en un promedio de 20-25 % I21 pqra los mismos niveles de salida de luz.

En la figura 1.1 se muestra un ejemplo de ahorro de energía que representa el utilizar lámparas fluorescentes y balastros electrónicos en alta frecuencia con respecto a los sistemas de iluminación con lámparas incandescentes. En el ejemplo se muestra que el tiempo de vida Útil de una lámpara incandescente es de 1OOO horas y el de la lámpara fluorescente esta en el orden de las loo00 horas y que, aunque el costo inicial del conjunto balastro-lámpara fluorescente es mucho mayor que el de una lámpara incandescente, se observa que utilizando ambas lámparas por un período de cinco horas diarias y siendo que la lámpara fluorescente es de 25W y la incandescente de lOOW y tomando un costo base para el cálculo por KW-H =N8 0.083', tenemos que el ahorro seria de aproximadamente 53%. Cabe resaltar que aún cuando las potencias son diferentes en ambas lámparas, el utilizar una lámpara fluorescente de 25W nos Proporcionará la misma o mayor luminusidad que una incandescente de 1 OOW.

'castn tads de UI recibo 6 CÍE (Curnvaca. kr.. I(Crico). tarifa 01, M/OVIPC.

1-1

INTRmUCCIDW A LOS S IS lE l lAS DE ILUI INACIO( I FLUDRESCEYTES Capitulo 1

AHORRO DE ENERGIA

Costo Ldmpara: Incandescente Ne 1.25

~~

Fluorescente NS 20.00 IIWluVe Baiastro).

Costo por KW-H: NS 0.083

Tiempo de Vida: Incandescente = . 1,000 Horas Fluorescente = 10,000 Horas

5 horas diarias, 365 al año durante 5 alios,

Energla NS 75.74 NS 18.9

CLámpara NS 6.25 NS 20.0

Total NC 81.99 NC 38.9

Fig. 1.1 Ejemplo de ahorro de energía lámpara fluorescente vs incandescente.

1.2 SISTEMAS DE ILUMINACION (S.I.) FLUORESCENTES.

1.2.1 Descripción general de las lámparas

Las dos grandes ramas de fuentes de luz que existen actualmente son las de incandescencia (luz producida por termorradiación) y la de descarga (luz producida por luminiscencia) [ l] . Se define como termorradiacidn a la emisión radiante que depende exclusivamente de la temperatura del material. A la parte de esta radiación, emitida dentro del espectro visible, se le denomina incandescencia. La incandescencia es la producción de luz por elevación de la temperatura de un cuerpo. En oposición a la incandescencia, la luminiscencia consiste en la emisión de una radiaci6n electromagnética visible, cuya intensidad en determinadas longitudes de onda (características de cada material) es mucho mayor que la radiación térmica del mismo cuerpo a la misma temperatura. Esencialmente, la luminiscencia es la radiación luminosa emitida por un cuerpo, por efecto de un agente exterior que excita los átomos de dicho cuerpo. En este caso, el número de niveles de energía posibles es muy reducido y la luz se emite en un número limitado de longitudes de onda, lo que origina un espectro discontinuo. Las lámparas que funcionan por incandesce ncia, se conectan directamente a la línea de CA sin necesidad de equipos auxiliares de conexión o encendido. Las lámparas de descaraa tienen una característica de

1-2

CspftUlO 1 lYTRoDuCCIOU A LOS SlStEIuS DE 1LWINACIOU FLWRESCEYTES - resistencia negativa, es decir, que disminuye a medida que aumenta la corriente que por ella circula. Debido a esto, es necesario utilizar un elemento limitador de la corriente de arco, para su conexión a la línea de CA.

Los tipos de lámparas existentes se pueden clasificar de la siguiente forma :

- Lámparas incandescentes

o Incandescentes convencionales Estándar. Reflectoras.

Incandescentes haldgenas Simple y Doble envoltura. Baja tensión. Incandescentes especiales.

- Lámparas de descarga

Vapor de mercurio baja presidn ifluorescentes) Fluorescentes convencionales. Fluorescentes trifósforo. Fluorescentes de alta frecuencia. Fluorescentes compactas ibalastro incorporado). Fluorescentes miniaturizadas íbalastro separado). Fluorescentes especiales.

Vapor de mercurio alta presidn Ampolla clara. Color corregido. Luz mezcla. Halogenuros metálicos.

Vapor de sodio baja presidn

0 Vapor de sodio alta presidn Convencionales. Autoencendido.

Especiales Neón. Xenón.

1-3

Cspftulo 1 lYTRCQKClQl A LOS SISTEMAS DE ILUllUCIOU FLuWESWKS

La figura 1.2 muestra una gráfica comparativa de la eficacia luminosa (ImANi flujo

luminoso (im) de las diferentes lámparas listadas anteriormente.

Flulo luminoso en Iumcnes (x 10001

Fig. 1.2 Gráfico comparativo de distintos tipos de lámparas.

Dado que el trabajo de tesis es el desarrollo de un balastro electrónico para lámparas fluorescentes. hablaremos a Continuación Únicamente de las lámparas de descarga fluorescentes.

1.2.2 Física del Tubo Fluorescente

En las lámparas fluorescentes, la luz se genera por el fenómeno de fluorescencia, mediante la conversión de la radiación ultravioleta en visible que efectúan las sustancias fluorescentes situadas en la pared interior del tubo de descarga (ver figura 1.3). La radiación fluorescente se produce sometiendo los átomos de un gas a un campo eléctrico. En estas condiciones, algunos de los electrones que constituyen dichos átomos puede absorber energía, bien directamente del campo o mediante un impacto con otro electrón libre. Con ello pasaría a ocupar una órbita exterior, en la cual la energía potencial es mayor. Esta situación es inestable, por lo que el electrón tiende a volver a su Orbita primitiva, devolviendo en forma de radiación la energía absorbida (ver figura 1.3).

1-4 .

INTRcüUCCIO+i A LOS SISTEMAS DE ILUHINACIM( FLUDRESCENTES Cspltulo 1

1 Arcq elCctrico

2 Descarga del gas Sustancia fluorescente

3 Luz ultravioleta

4 Luz visible

Fig. 1.3 Tubo fluorescente.

Dos características importantes de los tubos de descarga, en general, y de 10s fluorescentes en particular son los siguientes:

- La característica tensión-corriente de la lámpara es negativa debido a que la generación de electrones e iones positivos en la descarga incrementa la intensidad de corriente a través de la lámpara. Por este motivo la descarga debe ser estabilizada mediante un balastro conectado en serie con la lámpara.

- El espectro de emisión es discontinuo, y las radiaciones visibles emitidas por la lámpara depende de la composición de las sustancias fluorescentes y de su capacidad de conversión de la radiación ultravioleta en visible.

1.2.3 Componentes del Tubo Fluorescente

El cuerpo del tubo es de vidrio en un tono opalizado por el recubrimiento fluorescente, generalmente en forma rectilínea y cilíndrica extendida (ver figura 1.31, aunque existen otras formas especiales (circular, U, etc.). Los diámetros nominales, las longitudes y potencias más usuales son mostradas en la tabla 1. Los electrodos son fabricados de tungsteno, normalmente en doble espira y recubiertos por sustancias emisivas de electrones (compuestos de metales alcalino-terreos). De su calidad depende la duración de la lámpara, puesto que cuando uno de los electrodos pierde esta sustancia, la lámpara no consigue encenderse.

1-5

-- l y T ~ ~ ~ ~ ~ A LOS s i s T w i S OE..ILüMlNACIQI F L ~ E S C E Y T E s

. , Capitulo 1 .

.. .

. . .

. .

Tabla 1 Diametros, longitudes y potencias de los Tubos Fluorescentes.

El gas' de llenado realiza las siguientes funciones:

- Facilita el inicio de la descarga, por reducción de la tensi6n de encendido.

- Reduce el recorrido libre medio de los electrones, para aumentar su probabilidad

. . . . . .

. . de colisión con los átomos de mercurio. . '

- Protege la sustancia emisiva de los, electrodos, reduciendo su tasa 'de evaporación, mediante un mecanis.mo análogoal de las lámparas incandescentes. ~ .

Los gases más comúnmente empleados son el Argón o mezcla de.argón-neón y Kriptón, cuya mayor masa atómica presenta ventajas desde el punto de'vista de la mejora de la eficacia luminosa'y de la-protección de los electrodos. La desventaja del uso de este gas es que:se incrementa la'tensión de encendido de lámpara; Además de estos gases se requiere.la presencia de unas gotas .de mercurio, exactamente dosificado para reducir los efectos nocivos de este metal en las sustancias ftuorescentes.

Las sustancias fluorescentes deben satisfacer' las siguientes condiciones:

soportar los procesos de .fabricación y las 'condiciones de operación.

. .

~. . . . - Ser materiales no tóxicos y estables desde el punto de vista' físico: y qÚímico para

. '- Ser muy'absorbentes.del Ultr8violeta Corto, (UV-Cl,.en la región de los 253.7 y .' ' .

, ' 185 nin, con la consiguiente fluorescencia. ' I

- Emitir en el espectro visible y no ser absorbentes en el..mismo (es decir, no ser

. .

. . . . . . . .

, . . . . .

.. . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . coloreados). ' ;: ' . . .

1-6

Capltuio 1 lNTRíOWIüN I LOS SISTElUb DE ILUlINIClOU FLUORESCENTE6

- Presentar sus óptimas características de funcionamiento alrededor de los 40°C.

- Poder ser dividos en partículas muy finas sin disminución del rendimiento.

Las sustancias fluorescentes utilizadas en la actualidad no presentan riesgo por Su composición química. Los tipos más utilizadas, son las siguientes:

- Halofosfatos de calcio, activados con antimonio, manganeso y europio, para las lámparas en las que la eficacia luminosa prevalece sobre el rendimiento de color.

- Fluogermanato de magnesio o silicato de calcio, activados con diversos componentes.

- Aluminatos de magnesio o vanadato de itrio, con diversos aditivos, para los tubos trifósforo, de elevada eficacia luminosa y alto rendimiento de color.

Los tipos de casquillos usados en las lámparas de arranque rápido son los del tipo G (espigas) y en las lámparas de arranque instantáneo son del tipo R (un contacto) i l l .

1.2.3.1 Características de funcionamiento del Tubo Fluorescente

Existen tres tipos básicos de encendido:

- Encendido por cebador, utilizado en la mayoría de los tubos fluorescentes (convencionales y trifósforoi. El cebador, situado en paralelo con el tubo, provoca el precalentamiento de los electrodos, aproximadamente un segundo después, el cebador interrumpe el circuito de precalentamiento y, en combinación con el balastro, provoca una sobretensión instantánea que es suficiente para iniciar la descarga (ver figura 1.4a).

- Encendido rápido, con precalentamiento de electrodos, utilizado en los tubos de arranque rápido. El calentamiento de los electrodos proviene del propio balastro y existe además una ayuda al encendido, consistente en una banda metálica externa conectada a uno de los electrodos, el cual funciona como un electrodo auxiliar (ver figura 1.4b).

. . . , . . . - Encendido" instantáneo, o arran'que en ,fr¡o, se produce' bajo el' efecto 'de la

elevada tensidn de arranque producida por el balastro (ver figura 1.4~). . .

1-7

8- 1

-se!eiuen seunBle JW0!3UeW JOd 010s '[E] ope!doide (iOJiUO3 Bu!ww!~) eSOu!wnl pep!sueiu! ep loiiuos un opesn se opuens i e ~ ! u ia!nbiens !se3 e eieduipl el ep znl ap ep!les el ielsn!e eied pep!l!qeq el 'eiq!pne op!ni le 'op!puesue le ue eieduipi el ap oapedied lap u9!seu!w!la el ow03 sale1 'seieuo!3!peii sos!i9uBewoiise1e soiiseieq sol e oisedsei 1.103 ueiuaseid anb seieiuan sei uos 'seiueoseronii up!seu!wni! ep seuieiqs sol ap oiiuap (so3!upiisap) op!los-opeise ep soiiseieq sol op!uei ueq enb up!sniona el ua aiueliodw! Anw oiaadse u n 'SeJedWpl seqqp e ue!euew enb soaseieq sol ua ow03 saiua3saiony semdwel se1 ap Se3!lSJJal3eJe3 sei ua oiuei ewelJodw! Anw eauene un opue!uei op!ua~ ey as pep!leni3e el u3

setuesseronid u9peu!wnii ep sewexqs ue sos!u9~imle soiiseleg sol ap u9!snlo~3 paz- 1

oiua!weuo!aun~ ep SO3!djl soi!na!3 9' '6!j

1.2.5 Parámetros importantes de diseño para Balastros Electrónicos

Los parámetros de diseño para un balastro electrónico pueden ser puestos dentro de dos secciones. La primera sección es el diseño de la fuente de potencia, y la segunda sección es el diseño del inversor. En la sección de la fuente de potencia se deben tomar en cuenta ciertos factores 141. como son los siguientes:

a) Factor de Potencia (FP). b) Distorsión Armónica de Línea. c) d) e) f) Regulación de línea.

RFI EM1 (Interferencia de Radio Frecuencia / interferencia ElectroMagnética). Protección a transitorios de línea. Corriente de arranque (in-rush current).

Para la definición de cada uno de estos parámetros consultar el apéndice A.

La sección de salida del balastro deberá ser diseñada para encender y operar apropiadamente la lámpara fluorescente, para ello se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos:

a) Voltaje en circuito abierto. b) Parpadeo (flicker). c) d) e)

Arranque de la lámpara (Tipo: instantáneo o rápido). Factor de cresta de la corriente de la lámpara. Factor de eficiencia del balastro.

Para la definición de cada uno de estos aspectos consultar el apéndice A.

1.3 Propuesta de desarrollo

En este trabajo de tesis se propone el desarrollo de un balastro electrónico, que incorpore Corrección activa del F.P., para el manejo de lámparas fluorescentes del tipo arranque rápido F40W T-12. Para lo cual concebimos que el prototipo fuera implementado en dos etapas. En la primera etapa se hizo uso de un convertidor CD/CD para la Corrección del Factor de Potencia (CFP). En la etapa de manejo a la lámpara, se uso un convertidor CD/CA en configuración "Push-Pull", en el que se utilizó la técnica de control Modulación por Ancho de Pulso (PWM, por sus siglas en inglés) para el control de la lámpara fluorescente. Este convertidor CD/CA, fue escogido en función de las características que requiere la lámpara fluorescente para su operación 151. El funcionamiento de las lámparas fluorescentes a alta frecuencia iver figura 1.5) dentro del rango de 20 a 5OKHz [6,71, hace que se presenten menores pérdidas de potencia y favorece los procesos físicos de la descarga iver figura 1.3 y sección 1.2.21, logrando a que se tenga un mejor aprovechamiento de las características de dicha lámpara. Traduciéndose esto en un menor consumo de energía y consecuentemente en menor costo. El límite de la frecuencia de

1-9

Cepftuio 1

trabajo de la lámpara fluorescente, está determinado por los tres factores siguientes:

IMTROOUCCION A LOS SISTEMAS DE ILUMINACION FLUMIESCEN~ES

")'

010

105.

xx).

- Frecuencias de funcionamiento por arriba de 40KHz, no se traducen en un mayor rendimiento luminoso (ver figura 1.5).

- Frecuencias de funcionamiento de, por ejemplo, alrededor de 50KHz, producen mayores pérdidas en el cableado y por ello, una mayor disipación de potencia en los transistores.

- Frecuencias de funcionamiento por encima de 50KHz requieren medidas importantes para la supresión de radio-interferencias. \

,' Rendimiento luminoso de la lámpara

<

Frecuencia f (HI ) >

Fig. 1.5 Rendimiento luminoso de las lámparas fluorescentes en funci6n de la frecuencia de la tensión de alimentación, con consumo de potencia constante.

Todo lo anterior habla por si solo de la importancia que tienen los balastros electrónicos dentro de los sistemas de iluminación fluorescentes. Cabe mencionar que el presente trabajo de tesis formo parte de un convenio de colaboración entre el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) y el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET), en el cual se buscaba asimilar la tecnología en torno a la CFP para lograr el diseño y desarrollo de equipos electrónicos que incorporasen la capacidad de corregir el factor de potencia, como una medida para utilizar más eficientemente la energía eléctrica generada en nuestro país. Este proyecto de tesis proporcionó una base teórica y práctica en la investigación de balastros electrónicos para la iluminación fluorescente, como nueva línea de investigación del CENIDET.

1-10

Capitulo 2 BALASTROS PARA IAMPARAS FLUORESCENTES

2.1 Clasificación de los Balastros.

2.1.1 üalastros electromagnéticos.

2.1.2 Balastros electr6nicos.

2.1.2.1 Autooscilantes.

2.1.2.2 PWM y FM.

2.1 2.3 Corrección del FP en Balastros Electrónicos.

2.1.3 Algunas consideraciones para el diseño del prototipo de balastro electrónico.

CAPITULO 2

INTRODUCCION

, . I

.BALASTROS PARA LAMPARAS FLUORESCENTES . .

, . , . .

. .

En este capftulo se hablará de la evolución de 10s distintos esquemas de balastros para lámparas fluorescentes, tales como 10s eiectromagnéticos así como e l e c t r ~ c o s - Tambi*n se mencionarán algunas de las especificaciones que Se tomaron en consideración para el diseño del prototipo de balastro electrónico, presentado en esta tesis.

2.1 Clasificación de los Balaseos

Existen diferentes tipos de balastros, tanto electromagnéticos como los denominados electrónicos. Estos últimos han tenido una gran evolucián debido a las ventajas que ofrecen con respecto a los balastros electromagnéticos tradicionales. Estas ventajas no solo son en un mejor aprovechamiento de la energía consumida por dichos balastros sino el de poder manejar más eficientemente la lámpara fluorescente.

RIEcALpIIAum:

W A R M -ACTAS (cowanm>e*usn#,-uwAR*)

PRECMENTAUIENTO :

P O R D N W W 8 ELECTRO- AVXlUARES

INSTMANE0 ('SUY UHP)

hg. 2.1 ClasificacMn de los balastros

Los balastros en general pueden ser divididos en dos grandes grupos como son : los Balastros ElectroMagnéticos (BEMI y los Balastros Electrónicos (BE). Dentro de los balastros EM hay los de alto factor de potencia. y los de bajo factor de potencia, también los hay en función del tipo de lámpara fluorescente a operar, bien sea de arranque rápido o instantáneo. Dentro del tipo de arranque rápido: hay los que utilizan arrancador (cebador) Para efectuar el precalentamiento de los cátodos y, también los hay con devanados auxiliares para efectuar dicho precalentamiento y con esto eliminar el uso del cebador. Dentro del tipo de arranque instantáneo estos encienden a la lámpara con una tensión inicial elevada aplicada entre los electrodos sin recurrirse a un arrancador. Dentro de los balastros EM tanto del tipo de arranque rápido o instantáneo, hay los que pueden operar de una a

2-1

BALASTROS PARI LWARAS FLUORESCEYTES CspltUlo 2

tres lámparas y de diferentes potencias respectivamente [81. Dentro de 10s balastros electrónicos existen los de alto y bajo factor de potencia (para lámparas ComPactas). &tos al igual que los balastros EM, también los hay en función de la potencia de la lámpara, tipo de lámpara (arranque rápido o instantáneo) y número a operar respectivamente [91. La figura 2.1 muestra de manera ilustrativa la clasificación de los balastros antes mencionados.

2.1.1 Balastros Electromagnéticos

La definición de balastro por parte de la norma (CCONNIE-16.2-1 I [81 dice lo siguiente: "Es un dispositivo que, por medio de inductancias, capacitancias, o resistencias, solas o en combinación, limita la corriente de las tiimparas fiuorescentes al valor requerido para su operación correcta y también, cuando es necesario suministra una tensión y corriente de arranque, y en el caso de balastros para lámparas de arranque rápido (ver figura 2.21. suministra la tensión para calentamiento de los cátodos ".

LAMPARA REACTOR

I. I N c n

Fig. 2 2 Circuito eléctrico de arranque por cebador de un balastro EM.

Funciones que cumple el balastro electromagnbtico :

Las lámparas fluorescentes son fabricadas en una gran variedad de formas, tamaños y potencias. De acuerdo a su tipo requieren diferentes tensiones y corrientes de encendido, dependiendo de la longitud, el diámetro, los gases con que son llenadas y su construcción. Por lo tanto requieren de un dispositivo comúnmente conocido como balastro que suministre una cantidad controlada de energía eléctrica que satisfaga las necesidades de arranque y, posteriormente, las de operación normal. Durante el ciclo de arranque de una lámpara fluorescente, el balastro deberá de:

1.) Proveer una cantidad controlada de energía eléctrica para' precalentar 'los

.2) . Suministrar una 'tensión~ y, corriente controlada.para iniciar el arco entre los

electrodos .de .la. lámpara. . .

electrodos. de la lámpara y en ,el ciclo de operación.

. , . . .

.. '

. .

2-2

3) Controlar y limita la energía eléctrica en los valores adecuados para que la lámpara funcione con máxima eficiencia.

Además, los balastros EM deben corregir el factor de potencia cuando ello resulte deseable en la búsqueda de hacer un uso más eficiente de la energía eléctrica suministrada por la línea de alimentación de CA. Dado que los balastros EM corrigen el factor de potencia de manera pasiva y que trabajan a una frecuencia de 60Hz, el capacitor con el Cual efectúan dicha corrección es de gran capacidad y tamaño (ver figura 2.3).

En la figura 2.3 se muestra una fotografía de un balastro EM abierto, en la cual podemos observar más a detalle los componentes (cubierta metálica, tipo de núcleo, capacitor y bobinas) que lo conforman y en la cual observamos también que la dimensión de dichos componentes son bastante grandes debido a que dicho balastro trabaja a frecuencia de 60Hz.

de Lamina

Fig. 2.3 Detalle de componentes de un balastro EM.

Efecto de la tensión de línea :

. Si la tensión de llnea es diferente a aquella para la que el balastro ha sido diseñado, esta condición puede afectar la vida de la lámpara, la vida misma del balastro y la cantidad de luz producida por la lámpara fluorescente.

Generalmente los balastros no se ven afectados seriamente cuando la tensión en la línea es menor que la mínima recomendada para su operación óptima (según ANSI/IEEE C62.41-

2-3

Capítulo 2 BALASTROS PARA M I P A R A S FLVORESCEHTES

1980). En caso contrario, se tendrá una vida más corta en las lámparas Y r ~ n o r ~roducci6n de luz; además el encendido de la lámpara Se dificultará.

Las tensiones de alimentación superiores a las de diseiio del balastro, disminuirán SU vida útil, aunque se aumente la cantidad de luz producida. Generalmente también se reducirá la vida de la lámpara. En las lámparas en que se precalientan los electrodos antes de producirse el arco (precalentado y arranque rápido), puede producirse un arranque instantáneo que perjudicará a los cátodos. Otro efecto que se produce al tenerse una tensión de alimentación superior a la nominal es una elevación de la temperatura de operación del balastro, lo cual también disminuye su vida. Los balastros EM deben operarse dentro de un rango de f 10% de la tensión nominal de alimentación 181.

Factor de potencia :

El factor de potencia (FP) puede definirse como la eficiencia relativa en el uso de la energía eléctrica (no significa necesariamente mayor potencia). Por lo tanto el factor de potencia es la relación entre la potencia activa (watts) entregada al conjunto balastro- lámpara y la magnitud de la potencia aparente, suministradas por la línea de alimentación.

Específicamente, los balastros de alto factor de potencia son aquellos que tienen una relación entre watts entregados al conjunto balastro-lámpara y los VOltS-ampereS suministrados por la línea de alimentación de más de 90% [81. Cuando el balastro no indica ser de alto factor de potencia, se considera que opera por debajo de dicho límite. La figura 2.4 muestra las formas de onda de corriente y voltaje de línea de un balastro electromagnético tradicional con alto factor de potencia.

t

Fig. 2.4 Corriente Y voltaje (V,N) de línea de un balastro EM con alto FP.

2.1.2 Balastros Electrónicos

Los balastros electrónicos o de estado sólido han cobrado gran popularidad con respecto

2-4

Cep(tul0 2 BhLASTRüS PARA LAWARAS FLUMIESCENTES

a los balastros electromagnéticos, ya que presentan ventajas como las mencionadas en 10s apartados anteriores (ver sección 1.2.4). Podemos hablar de que los balastros electrónicos pueden ser de diferentes tipos con base en el método de control que emplea el manejador de la lámpara, como son: los balastros electrónicos autooscilantes y los balastros electrónicos con control PWM o Modulación en Frecuencia (FM). En el segundo tipo de balastro electrónico se puede monitorear y controlar el voltaje aplicado en el arranque y durante la operación de la lámpara con más seguridad.

2.1.2.1 Balastro Electrbnico Autooscilante

Este tipo de balastros electrónicos fueron de los primeros que se introdujeron en la implementación de sistemas de iluminación fluorescentes. Existen varios tipos de CirCUitOS de balastros autooscilantes que han sido desarrollados, pero el tipo comúnmente usado es el esquema eléctrico simplificado mostrado en la figura 2.5. Este circuito es alimentado a partir de un "bus" de CD y utiliza un circuito inversor resonante en alta frecuencia í101. La topología resonante utilizada es para producir un voltaje y corriente senoidal que se aplica a la lámpara fluorescente.

- Fig. 2.5 Circuito típico de balastro Electr6nico Autooscilante.

El funcionamiento del circuito mostrado en la figura 2.5 es como sigue:

El circuito esta constituido por un inversor autooscilante de alta frecuencia, usando un circuito resonante en la carga con retroalimentación de corriente. Los transistores Q1, 02, y los capacitores C5, C6 forman un inversor medio puente.

El capacitor C7 sirve solamente para evitar el flujo de Corriente de CD a través de la carga, mientras que T3 sirve para limitar la corriente a la carga. El capacitor C8 y T3 forman el circuito resonante a la frecuencia deseada. La lámpara fluorescente puede ser considerada como una resistencia equivalente alta (antes del encendido) entre sus dos extremos, la cual es conectada a través de C8 como la carga.

2-5

.-

BALASTROS PARA LAMPARAS FLWRESCENTES Cepftuko 2

\

El resistor R2 y capacitor C4 junto con el diac D6, forman un generador de pulsos, requerido para el arranque del circuito. Cuando el voltaje de C4 alcanza el voltaje de conducción del diac, un pulso corto alimenta a la base de 02, encendiéndolo momentáneamente. Esto causa un flujo de corriente a través de C8, C7, T3, T2 y 02. La corriente en el primario de T2 genera un impulso positivo para 02, manteniéndolo encendido mientras mantiene apagadoa O1 con un impulso negativo. Una vez que 0 2 esta encendido, el circuito resuena, creando una corriente de carga senoidal. Cuando esta corriente se invierte, las condiciones de manejo de Q1 y Q2 son también invertidas y ahora 0 2 se apaga mientras Q1 es encendido. Una vez que el circuito oscila, el circuito de arranque se mantiene desactivado por la descarga continua del capacitor C4, cada vez que 02 se enciende.

Este tipo de balastro electrónico presenta las siguientes desventajas:

a)

b)

Diseño complejo de los componentes magnéticos.

No hay control ante las variaciones de línea.

c) Sensible a variaciones de carga.

La figura 2.6a muestra las formas de onda de corriente y voltaje'de línea de un balastro electrónico autooscilante sin corrección de factor de potencia y la figura 2.6b la corriente de alimentación a la lámpara. Como se puede observar la corriente con que se alimenta a la lámpara es completamente senoidal y simétrica con lo cual se mejora en gran parte las características de funcionamiento de la lámpara fluorescente, por ejemplo que el desgaste de los cátodos sea el mismo y con esto alargar la vida útil de dicha lámpara.

b) a)

i Fig. 2.6 a) Corriente y voltaje de llnea de un balastro elenrbnico autooscilante sin CFP y b) corriente en la lámpara.

2-6

capítulo 2 BALASTROS PARA L M P I R A S FLUORESCENTES

Las desventajas antes mencionadas se verán en parte superadas Por el esquema de balastro electrónico que incorpora corrección activa del FP, que Se rfIenciona en el apartado siguiente.

2.1.2.2

Los balastros electrónicos (P.e, con control PWM) que incorporan corrección activa del FP, son los que han venido reemplazando a los BE autooscilantes tradicionales en la actualidad, debido a que presentan mejores ventajas que estos últimos.

El circuito de BE PWM esta constituido por un inversor CDKA (configuraci6n "Push- Pull"). el cual se encarga de manejar a la lámpara fluorescente, utilizando además un Circuito resonante LC cargado en paralelo. La figura 2.7 nos muestra un diagrama eléctrico simplificado del balastro electrónico antes mencionado.

Balastro Electrónico (BE) con control PWM.

INVERSOR WSH-PUU r-------...______.._____________________.~~~-.~

! ! i

I :

VCD

[ *

!

. . .. !

Fig. 2.7 Diagrama eléctrico simplificado del balastro Electrdnico con control PWM.

El esquema de este tipo de balastro electrónico presenta ciertas ventajas sobre el BE autooscilante y los BEM, como son:

a l b l Transformador más simple (diseño). c)

Control a las variaciones de línea.

Ahorro de energía en un promedio de 20 a 25Oh para los mismos niveles de salida de luz respecto a los BEM.

2-7

cep~tulo 2 BALASTROS PARA LAMPARAS FLWRESCENTES

La posible desventaja de este tipo esquema es el costo, aunque hasta cierto punto esto podría ser justificado en función de la eficiencia, tanto de mejor utilización de la energía eléctrica consumida por dicho balastro, como en el alargamiento de la vida Út i l de la lámpara fluorescente operada por la misma.

2.1.2.3 Corrección del FP en Balastro Electrónicos.

El hablar de corrección del FP en balastros electrónicos, ya sea de una forma activa O pasiva, implica que se tiene una etapa primaria dentro del esquema total del balastro electrónico.

La corrección activa del FP se puede explicar de la siguiente manera: como primera etapa del balastro electrónico, se usa un convertidor CDKD en alta frecuencia, el cual trabajará de manera tal que se comporte como una resistencia; esta resistencia será la que el puente de diodos vera como una carga primaria. Este comportamiento del convertidor C D K D se conoce como "Emulador de Resistencias (ER)" (ver figura 2.8) [ l 1 I; pudiéndoseobtener con esto la corrección activa del FP.

CORRECTOR FACTOR DE WTENCU

UNEA DE CA i; BOOST

i Tp + I

. . . . . . .

. < . . , . , . . . . . . .

. .

Fig. 2.8 Circuito EA como etapa de corrección activa del FP.

Una de las ventajas que se presentan superadas al incorporar una etapa CFP en los BE es el obtener un FP > 95%; lo cual sería factible de obtenerse tanto en BE PWM como en los autooscilantes. Además, en los BE autooscilantes el incorporar el circuito ER (etapa de CFPi superaría la desventaja de no tener control ante variaciones de la fínea de CA.

2-8

Capítulo 2 BALASTROS PARA LAWPWAS FLUORESCENTES

2.1 -3 Algunas consideraciones para el Diseno del Prototipo de Balastro Electrónico

desarrollo de este trabajo de tesis se centró en la aplicación de la corrección activa del ~p a balastros electrónicos. El esquema escogido fue del tip0 BE con corrección activa del ~ p , el cual se optó que fuera implementado en dos etapas. La Primera etapa que seria la de CFP se implement6 con una topología en configuración elevadora ("Boost"), Y en la segunda etapa se implemento un inversor en configuración "Push-Pull".

Cuando se trata de corregir factor de potencia del modo activo en balastros electrónicos. se han de considerar ciertos aspectos importantes en el diseño de la etapa de CFP, como son: la etapa de CFP se diseria para un solo nivel de carga, puesto que el manejador de la lámpara fluorescente se diseña para una carga de potencia constante. Por otro lado la carga de potencia constante que verá el inversor presentara una resistencia negativa debido a las características de encendido y operación de la lámpara fluorescente.

A continuación se hace una breve explicación de cada una de las etapas que conforman al balastro electrónico propuesto al comienzo de esta sección.

El convertidor "Boost" se trabaja en modo de conducción continuo y es controlado por el método de control de corriente promedio. Este control consta de dos lazos de retroalimentación (ver figura 2.91, los cuales son: a) Lazo de corriente y b) Lazo de voltaje. El trabajo del lazo de corriente es forzar a la corriente de entrada a seguir la forma de onda del voltaje de entrada í en fase y frecuencia). Esto implica que el lazo de control de corriente debe ser suficientemente lento (ancho de banda 5 1 KHz) para seguir la forma de onda rectificada del voltaje de línea [12,131. El lazo de corriente puede ser modelado como una fuente controlada de corriente, lo cual simplifica el análisis del lazo de control de voltaje í12.131. El ancho de banda del lazo de voltaje ha de ser menor a 15 Hz para minimizar la retroalimentación de la segunda armónica y con eso disminuir la aparición de la tercera armónica en la corriente de línea.

Fig. 2.9 ToPologla Boost con control modo corriente promedio.

2-9

BALASTROS PARA LMPARAS FLUORESCENTES Capítulo 2

~

A continuación se presentan algunas de las ventajas y desventajas del convertidor elevador ("Boost") [141:

Ven tajas:

- Corriente no pulsante a la entrada

- Transistor referido a tierra

- Facilidad de implementación del lazo de control

Desventajas:

- No admite protecciones de: Arranque suave, Sobrecorriente y Cortocircuito.

- El voltaje de salida siempre es mayor que el de entrada.

Dado que la lámpara fluorescente es un dispositivo de resistencia negativa con alto voltaje de ignición, y que debe ser manejada simétricamente para conducir igual corriente en ambas direcciones para una larga vida de operación [5]. Es necesaria la utilización de un balastro para ignición de la lámpara fluorescente y limitar la corriente de operación de dicha lámpara.

Fig. 2.10 Inversor Push-Pull como driver de la lámpara.

La etapa de control responsable del manejo de la lámpara es escogido en función de las características de la lámpara fluorescente. Estas se definen en tres requerimientos

2-10

~ RALASTROS PARA LAIIPARAS FLUORESCEWTES i

Capitulo 2

principales de lámpara:

1)

2)

3)

Uno de los circuitos que satisface los tres requerimientos principales según las características de la lámpara; es un inversor con topología "Push-Puli" (ver figura 2.10), el cual proporciona el manejo simétrico. La limitación de la corriente es obtenida utilizando un control de retroalimentación de la corriente de operación (tubo fluorescente encendido), y el problema de ignición es resuelto con la implementación de un circuito semiresonante [51. El circuito "Push-Pull" es controlado con la técnica de control PWM.

Disparo (ignición) de la lámpara.

Manejo simétrico de la lámpara fluorescente usando corriente alterna.

Limitación de la corriente de operación a la lámpara.

\

2-1 1

Capitulo 3 ASPECTOS CRITICOS DE DISENO Y RESULTADOS

3.1 Especificaciones del prototipo.

3.2 Aspectos crlticos de diseño.

3.2.1 Etapa de CFP.

3.2.1.1 Etapa de CFP (Boost).

3.2.1.2 Etapa de manejo a la lámpara.

3.2.2 Estrategia de Control.

3.3 Resultados experimentales.

CAPITULO 3

ASPECTOS CRlTlCOS DE DISENO Y RESULTADOS

INTRODUCCION

En este capítulo se presentaran las especificaciones del prototipo del balastro electrónico propuesto anteriormente (capítulo 2), así como los aspectos más críticos en el diseño del mismo, tanto en la etapa de corrección activa del FP como en la etapa de manejo a la lámpara fluorescente. También se darán los resultados obtenidos en cada una de las etapas antes mencionadas.

3.1 Especificaciones del prototipo

Las especificaciones de diseño que se desean cumplir, se tienen en forma general y particular, según sea el caso de las dos etapas de las que consta el balastro electrónico:

Generales:

Alimentación del Balastro: 120 Vac * l o% @ 60Hz. Factor de Potencia: 290%. Distorsión Armónica Total ("THD"): 5 27% (estándar IEC555-2). Tipo de lámpara fluorescente a manejar: F40W-T12 (arranque rápido).

Particulares:

Tipo de CFP: Activa (pre-regulador ("Boost")). Frecuencia de conmutación (pre-regulador): 70-80KHz. Tipo de control (pre-regulador): Modo Corriente Promedio (MCP). Circuito de manejo de la lámpara: Inversor "Push-Pull". Tipo de control del inversor: PWM.

3.2 Aspectos críticos de diseño.

En el diseño del balastro electrónico propuesto, se tendrán en cuenta los aspectos más importantes en el diseño de las dos etapas que lo conforman. Por lo cual en la etapa de corrección activa del FP, en la que se implement6 una topología del tipo elevadora ("Boost"), se tendrá que considerar como aspecto crítico el diseño del inductor, el cual es el encargado del almacenamiento de la energía que se transferirá al circuito de carga. Por otro lado, en el circuito de manejo a la lámpara (inversor "Push-Pull"), el aspecto crítico más importante a considerar, es el diseño del transformador.

3-1

ASPECTOS CRITICOS DE DlSEfiO Y RESULTADOS C e p ( t u l 0 3

3.2.1 Etapa da Potencia

3.2.1.1 Etapa de CFP ("Boost")

En esta etapa se implement6 un convertidor con topología elevadora ("Boost") en Modo de Conducción Continuo (MCC), y un control Modo Corriente Promedio (MCP), como el que se muestra en la figura 3.1.

Fig. 3.1 Diagrama a bloques del circuito (Boost) CFP activo.

El componente central de la etapa de potencia del circuito CFP es el inductor (L) de entrada del convertidor "Boost". En combinación con la frecuencia de operacidn este inductor determina la cantidad del rizo de corriente (AI) de alta frecuencia en la entrada y su valor debe ser escogido para dar un nivel del 10 y 20% de rizo de corriente i161. Si el valor de este inductor es bajo, la distorsión en la corriente de entrada será alta y con esto se tendrá un bajo factor de potencia y un incremento del ruido en la entrada, lo cual obligará a incrementar el filtrado de entrada. Por otro lado, si el valor del inductor es grande, las dimensiones del núcleo del inductor serán grandes también. Dado lo anterior, podemos deducir que lo mejor es alcanzar un equilibrio o compromiso entre el valor del indtictor, el tamaño del núcleo y la frecuencia.

Antes de abordar concretamente el diseño del inductor, veremos un parámetro importante el cual se refiere al modo de conducción del convertidor a utilizar. Como ya se habla planteado anteriormente el convertidor "Boost" trabajará en MCC [ 151; este modo de

3-2

capitulo 3 ASPECTOS CRITICOS DE DiSEfiO Y RESULTADOS

conducción se caracteriza por que la corriente promedio en el inductor nunca llega a tomar el valor de cero, de manera que cuando el transistor comienza a conducir, la corriente promedio en el inductor empieza a aumentar a partir de un valor determinado de valor no cero. Así durante la operación del convertidor s610 se tienen dos mallas de trabajo íver figura 3.2), a diferencia del Modo de Conducción Discontinuo (MCD) 1151, en el que la tercer malla se presenta cuando el transistor y el diodo estan apagados. De manera gráfica, la corriente promedio del inductor está representada por la forma de onda de la figura 3.2.

-- A

(al bl

Fig. 3.2 Formas de onda del convertidor "Boost" en modo de conducción continuo: alinterruptor on, blinterruptor off.

Para propósito de nuestro siguiente análisis haremos caso omiso del rizo de corriente en el inductor. También asumiremos que, de algún modo, el ciclo de trabajo íDoNJ para controlar al transistor (MOSFET) de la etapa de potencia es tal que el inductor es forzado a conducir una corriente que tiene una forma de onda senoidal completa rectificada.

Las ecuaciones de la 3.1 a la 3.6 en gran señal I161 describen la operacidn del circuito elevador íver figura 3.1 J, y tenemos que:

V,, = 4, 1 - DOPI

Y

(3.1)

3-3

Cepftulo 3 ASPECTOS CRITICOS DE DISENO V RESULTADOS

A partir de 4,,, = &,,,( t ) = @v),,,, I sen( o t ) 1 obtenemos la ecuación (3.3):

(3.3)

También por definición

(3.4) ( = @ -!k I sen( 6) t ) I vlNRMS

La corriente en el MOSFET es la corriente del inductor pulsada en alta frecuencia con el ciclo de trabajo expresado en la ecuación (3.3). La corriente del diodo es la corriente del inductor pulsada en alta frecuencia con un ciclo de trabajo de (1 - d, ( 1 ) ) . Por sustitución podemos tener una expresión (ec. 3.5) para la corriente promedio que pasa a través del diodo D.

a i d ( t ) = i'(O(1 - doN(f)) (3.5)

Por sustitución de (3.3) y (3.4) en (3.51, tenemos:

(3.6)

La corriente del diodo consiste de dos partes, tiene un valor promedio constante con la potencia de salida y voltaje de salida (primer término). También tiene una componente de CA con un valor pico igual al de el valor promedio. La parte de CD de esta corriente es simplemente la corriente de carga. La parte de CA sin embargo fluye a través del capacitor C, de salida, consecuentemente esta componente de CA llega a ser un parámetro importante cuando se determina el valor de este capacitor L13.161.

A continuación se presentan los procedimientos de cálculo de los elementos de la etapa CFP (ver figura 3.1). Abordaremos solamente los aspectos más críticos en el diseño de dicha etapa como son: el inductor (L) y el capacitor de salida (C,,).

Para poder realizar el cálculo del inductor iL), es necesario conocer las especificaciones que deberá cumplir, tanto en los niveles de tensión de entrada, como en la potencia y el nivel de tensión de salida, por lo que las especificaciones de estos parámetros son:

POUT = 57.5w

VOUT = 240 VCD V, = 108 - 132 Vc, @ 60Hz

3-4

ASPECTOS CRITIMS DE OISEAO Y RESULTM~OS Capitulo 3

Cálculo de la corriente aico máxima:

La corriente pico máxima se presenta bajo las peores condiciones de operación: el peor La Corriente de - caso se tiene con la línea baja y máxima potencia de salida, P,, =

pico máxima se puede obtener mediante la ecuación (3.7) [131:

IpK = 0.753 A

Rizo de c orriente:

AI = %Rizo x I,,

AI = 0.226 ApiePpico

(3.7)

C m :

El cálculo de este parámetro es importante puesto que de él depende el valor de la corriente rizo y por consiguiente del inductor del convertidor elevador ("Boost"). El cálculo del ciclo de trabajo (Di a I,, donde V,, Ipco, es el pico de voltaje de línea rectificado en línea baja, es obtenido convirtiendo la ecuación (3.2) en la ecuación (3.8) :

D = 'Our - &N(FJmL (3.8) "O",

D = 0.36

Cálculo de la inductancia:

Este elemento de la etapa de corrección del factor de potencia (CFP), es el más crítico, por lo que en el cálculo de su valor final será necesario tomar en consideración el rizo de corriente máximo permisible de alta frecuencia (frecuenciade conmutación del convertidor). El valor de este inductor puede ser obtenido empleando la ecuación (3.9):

Donde: f, es la frecuencia de conmutación = 76KHz.

Para la selección de las dimensiones minimas del núcleo, cálculo del número de vueltas, entrehierro y núcleo a utilizar se obtienen de las ecuaciones (3.10 a 3.12) tomadas de la referencia 1171:

3-5

ASPECTOS CRlTlCOS DE DISENO Y RESULTAODS Capítulo 3

(5.067)lO' ( L lout d2) A,A, = K~,,

(3.10)

(3.11)

N = a, 0.4n Id (3.121

El valor obtenido para la inductancia del convertidor "Boost" es L=3.23mH, ver la figura 3.1.

Selección del caDacitor de salida:

En el cálculo del valor de este capacitor es necesario tomar en consideración el valor máximo de corriente alterna que fluirá hacia la salida del corrector de factor de potencia; el valor máximo de tensión de rizo de 120Hz permisible en el "bus" de CD; el valor máximo que se le permitirá tener a la tercer armónica; y la velocidad de respuesta (ancho de banda) del lazo de retroalimentación de tensión. El valor del capacitor se obtiene utilizando la ecuación (3.13) [121:

(3.13)

Donde: tH = 16.66mS VO"T,M,,, = 225v

El valor obtenido para el capacitor de salida del convertidor "Boost" es Co = 274.68pF.

3.2.1.2 Etapa de manejo a la lámpara

Pasando a la etapa de manejo ("driver") de la lámpara fluorescente, haremos a continuación los cálculos de los aspectos críticos en el diseño del inversor CD/CA en configuración "Push-Pull".

Procedimiento de diseño del transformador "Push-Pull" :

En esta seccidn se presentan los procedimientos de cálculo de los elementos de la etapa de manejo de la lámpara fluorescente (ver figura 3.3 y 3.5). Abordando solamente los aspectos más críticos en el diseño de esta etapa como son: el transformador ( T I I y la red

3-6

Capítulo 3 ASPECTOS CRlTiCOS DE DISERO Y RESULTADOS

amortiguadora.

Para poder realizar el cálculo del transformador (Tl), es necesario conocer las especificaciones que deberá de cumplir, tanto en los niveles de tensión de entrada, como su potencia de salida, por lo que las especificaciones de estos parámetros son:

Po,, = 46W v,, = 240 v,,

V c d I - - I - -

. . . . . . . 1 I CONTROL 1

- t- - a - -

- Fig. 3.3 Inversor CD/CA en configuraci6n "Push-Pull" como manejador de la lámpara.

Paso (1 i Escoaer la aeometría v el material del núcleo a utilizar.

Para nuestro diseño escogimos un núcleo de geometría "SQUARE CORE RM12" y material 3C85 í181, el cual tiene los siguientes parámetros:

Area efectiva del núcleo = A, = 1 .46crn2

Area de bobinado = Ac = 0.7442cm2

Producto de áreas A, A, = 1 .08cm4

3-7

Cepltuio 3 ASPECTOS CRlTlCOS DE DlSEfiO Y RESULTADOS

Paso (2) Escoger la densidad de fluio de saturación máxima (B

En el catálogo de especificaciones de ferritas de PHlLlPS para el material 3C85 encontramos que la densidad de flujo de saturación a 100' es B,, = 3300 gauss. Normalmente, cuando se diseña un transformador la B,,, se escoge de modo tal que nos permita trabajar dentro de la región lineal de la curva 8-H (ver figura 3.4) [171.

1.

Por lo tanto tenemos que un buen punto para iniciar es escoger B,,, = B,, I 2. Para nuestro caso tenernos:

B,, = 3300 I 2 = 1650 gauss 8

i t

I C

Fig. 3.4 Curva de Histéresis de un núcleo rnagndtico típico Isin entrehierro)

Paso (3) Encontrar la corriente del orimario máxima de trabaio.

El primario del transformador tiene que conducir la máxima corriente posible a voltaje de entrada minimo. Usando la ecuación (3.14) I 1 71, tenemos:

Donde : Eficiencia = q = 80% Ciclo de trabajo = D,, = 0.48

Por lo tanto tenemos que la corriente del primario es igual a 1, = 0.532 A.

(3.14)

3-8

C.p(tul0 3 ASPECTOS CRITICOS DE DlSERD Y RESULTADOS

Paso (41 Determinar la dimensión del núcleo v la bobina.

Escogemos trabajar con una densidad de corriente (I,) de 350 c.m./A y utilizando la ecuación (3.1 5) [ 171, tenemos que el producto de áreas es:

(3.15)

Por lo tanto tenemos que nuestro producto de áreas es igual a A,A, = O. 1 74cm4

Paso (51 )y v e as d I r' rio secundarig.

Dimensión \del alambre = I, x Io = 0.532A x 350c.m.lA = 186.2c.m.

Según la tabla 5-2 [17] corresponde a un alambre del número 27AWG

Las siguientes dos ecuaciones (3.16 y 3.17) I1 71 nos servirán para el cálculo del número de vueltas en el primario y secundario del transformador (T1 1.

(3.16)

(3.17)

Donde: Factor de forma de onda = K = 4 I

Con la ecuación (3.1 6) obtenemos un número de vueltas en el primario del transformador del orden de N,

Una vez conociendo el número de vueltas del primario podemos obtener el número de vueltas en el secundario del transformador del orden de N. - 97 vueltas (utilizando la ec. 3.17).

62 vueltas.

Paso (61 Verificar el fluio de densidad de satu ración máxima B a Vinlmll,.

Usando el número de vueltas calculadas del primario, calcularemos ahora la densidad de flujo máxima a la que el transformador (T1) estará trabajando a Vin,-). Utilizando la ecuación (3.18) 11 71, tenemos:

(3.18)

Donde: Voltaje de entrada máximo = VhlMxt = 255V

3-9

Capltulo 3 LSPECTOS C R I T I ~ DE D I S E ~ I I RESULTADOS

Por lo tanto la densidad de flujo máxima de operación B,, = 1853.327 gauss. Este valor de 1853.327 gauss esta por abajo del valor especificado de la densidad de flujo de saturaci6n del material 3C85, el cual es especificado como B,, = 3300 gauss a 100°C.

Otro aspecto fundamental de diseño es la red amortiguadora ("snubber")(ver figura 3.5) implementado al transformador antes mencionado, dicha red amortiguadora debi6 impiementarse a consecuencia de la inductancia de dispersión presente en el transformador U 1 I.

Tl

Fig. 3.5 Red amortiguadora implementada ai transformador del "Push-Pull".

La corriente pico del transistot O2 (ver figura 3.5) es ip = 0.532, valor antes calculado. Utilizando las ecuaciones (3.19, 3.20 y 3.21) 1191, en las que mantendremos como condiciones de diseño, el que en el tiempo de caída del transistor It,) la tensión en 61 no halla superado 2V,, y por otro lado que 3 veces la constante de tiempo de la red amortiguadora (CsRs) será menor al tm(,,,,,,, para asegurar el adecuado funcionamiento de la red amortiguadora, haremos la selecci6n del capacitor Es) , resistencia IRs) y diodo iDs) de la red amortiguadora:

(3.19)

(3.20)

3-10

Capítulo 3 ASPECTOS CRITiCOS DE DISENO Y RESULTADOS

P, = 1.5C8Gf (3.21)

Donde: = T D,, = l / f D,, = 12.63~s

t, = tiempo de calda del transistor de potencia = 0 . 3 ~ ~

P,, = Potencia disipada en la resistencia de la red amortiguadora ("Snubber").

Con los datos anteriores se obtuvieron los siguientes valores para los elementos de la red

V,, = 240V

amortiguadora: C, = 0.47nF, R, = 8.2KQ P, = 1.31W

3.2.2 Estrategia de Control

Lazo de control de corriente de la etapa de CFP :

El lazo de control de corriente constituye el lazo interno y su trabajo es forzar a la forma de onda de corriente de entrada a seguir la forma del voltaje de entrada. Esto se hace por modulación del ciclo de trabajo del MOSFET en la etapa de potencia. El lazo de control de corriente (L.C.) junto con la etapa de potencia tendrá un ancho de banda de unos cuantos KHz [131, lo que será suficiente para seguir a la forma de onda completa rectificada. En la figura 3.6 se observa que la entrada de la etapa de potencia es la salida del ciclo de trabajo del modulador de ancho de pulso de corriente. Por lo tanto podemos describir la etapa de potencia como un bloque funcional (ver figura 3.6) que tiene como su entrada la información del ciclo de trabajo y como su salida el voltaje sensado (Vs) a través de un resistor de sensado (Rs).

I I

Fig. 3.6 Etapa de potencia ("Boost") y lazos de CMCP.

3-1 1

ASPECTOS CRITICOS DE DISEF~O Y RESULTADOS

La corriente promedio que fluye a través de este resistor (Rs) es igual a la corriente

Capltuio 3

promedio que fluye en la entrada del circuito CFP 11 61.

Podemos definir la ganancia de la etapa de potencia como :

(3.221

La respuesta en frecuencia puede determinarse asumiendo que el voltaje de salida es constante y utilizando la técnica del espacio estado promediada 11 61. La respuesta muestra un solo polo y esta dada por la ecuación (3.23).

Puesto que Vs( S ) = Rsll( s),

(3.23)

(3.24)

La ecuación (3.24) determina la ganancia en pequeña señal del circuito de potencia en el dominio complejo is). Podemos incorporar en la ganancia de la etapa de potencia la ganancia del modulador de ancho de pulso. Para todo esto primero tenemos que encontrar la ganancia del modulador. La ganancia del modulador esta dada por la ecuación (3.25):

(3.25)

donde AV' es el voltaje en la entrada inversora del comparador PWM.

Si asumimos que el tiempo muerto es muy pequeño (normalmente alrededor del 5%)[161 la ganancia de la etapa PWM llega a ser:

G-=- 1 A V-

(3.26)

Ahora podemos combinar las ganancias de la etapa de potencia (ec. 3.24) y PWM (ec. 3.26) para obtener la siguiente ecuación:

(3.27)

Por lo tanto la respuesta total del lazo de corriente será determinada por la respuesta del amplificador de corriente y la etapa de potencia. La respuesta total será dictada por el

3-1 2

,

capítulo 3 ASPECTOS cniricos DE DISERO Y RESULTADOS

ancho de banda requerido por el lazo de corriente. Cuando se utiliza un control modo corriente, hay un límite superior teórico para el ancho de banda del lazo de corriente el cual estará entre 116 y 113 de la frecuencia de conmutación (circuito CFP) [I 31.

Lazo de control de voltaje de la etapa de CFP :

El lazo de control de corriente interno puede ser modelado como una fuente controlada de corriente. Esto simplifica el análisis del lazo de control de voltaje (ver figura 3.6). Un incremento en el voltaje de entrada causa una caída en la corriente de entrada y dado que el propósito del balastro es mantener una corriente y voltaje de operación constante en la lámpara, es importante que el amplificador de error del lazo de control de voltaje (L.V.) del pre-regulador ("Boost") este compensado correctamente.

Antes de proceder con el diseño del lazo de control de voltaje tenemos que analizar el lazo para encontrar que parámetros afectan su dinámica. Si el ancho de banda de este lazo es alto, una cantidad excesiva del segundo armónico presente en la salida será inyectado al lazo de control causando distorsión del tercer armónico de la corriente de entrada. Los valores típicos para este lazo están entre lOHz y 20Hz [IS]. Para encontrar la ganancia de voltaje en lazo abierto del amplificador de error de voltaje, se calcula tomando en cuenta el cambio en el voltaje de salida del amplificador de error que se produce al cambio máximo de potencia requerido.

(3.28)

donde: AV,,,,, = cambio en el voltaje de salida del amplificador de error de voltaje.

La expresión anterior da la respuesta de la magnitud con respecto a la frecuencia. La respuesta tiene una pendiente a -2OdB1década y un retraso de fase constante de 90 grados.

Como se mencionó anteriormente, la sección de control para la corrección del factor de potencia es por el sensado de la corriente promedio. En esta sección de control se utilizó un resistor (Rs) (ver figura 3.6) para sensar la corriente promedio. La corriente promedio que fluye a través de este resistor es igual a la corriente promedio que fluye en la entrada del circuito CFP.

Una consideración importante a tener en cuenta en lo relacionado con la regulación del voltaje de salida del emulador de resistencia (circuito de CFP), es el ancho de banda del filtro pasabajos del lazo de retroalimentación de voltaje (ver figura 3.1 1, debido a que este es el encargado de reducir el tercer armónico de la corriente de entrada al emulador. Teniendo en consideración lo anterior, para el diseño del prototipo en cuestión se decidió establecer un ancho de banda de 14Hz.

3-13

ASPECTOS CRITICOC DE DISEA0 Y RESULTADOS Capítulo 3

Lazo de control de la etapa de manejo a la lámpara ("Push-Pull") :

EI lazo dé control implementado para gobernar a los transistores del inversor es utilizando la tecnica de modulación por ancho de PUIS0 (PWM). Para efectuar el control PWM, se toma una muestra de la corriente de la lámpara Una vez encendida. La forma de muestrear la corriente de lámpara (ILmp) (ver figura 3.3) fue hecha a través de un Tc (transformador de corriente), dicha corriente sensada por el TC es rectificada e introducida a la entrada inversora del amplificador de error de retroalimentacidn de corriente de la 18mpara. de manera que cuando la lámpara encienda, la corriente de operación de la lámpara (I,,,, = 0.43A) mueva el ciclo de trabajo y se controle con ello el voltaje aplicado en los cátodos de la lámpara. La forma en que opera el control PWM es de la siguiente manera: cuando I- decrese el voltaje en la entrada inversora del amplificador de error del lazo de corriente del control de .la lámpara aumenta y con esto hace que el ciclo de trabajo se incremente a su máximo valor ( = 48%); cuando la que la Imp se incrementa al valor de operación (lámpara encendida) el ciclo de trabajo disminuye a su mínimo valor (= 25%). El hecho de efectuar el control PWM en función de la corriente que circula en la lámpara da la posibilidad de poder incorporar un control de intensidad luminosa ("dimming control").

3.3 Resultados experimentales

A continuación se presentan los resultados obtenidos del prototipo de balastro electrónico, tanto en su etapa de CFP, así como del manejo de la lámpara.

En la figura 3 . 7 se muestran las formas de onda de la tensión de llnea (VI,) y de la corriente de línea (IIN) que alimentan'al balastro, se puede apreciar el rizo de alta frecuencia mmtada sobre la corriente.de entrada, y que no'existe'desfasamiento en el cruce por cero de la señal de corriente respecto a la Señal tensión, lo que da Como resultado un alto factor de Potencia. El valor medido de FP =98.76% y THD = 1.91 % fue bajo las condiciones de VI, = 1 ~ O V R M ~ , POUT = 57W (etapa de CFP).

-so.oooo I S

Fig. 3.7 Formas de onda de voltaje i50V/DivJ y corriente de línea (0.5A/Divl del convertidor "Boost" con correccibn activa del F.P. del prototipo de balastro electr6nico.

3-14

3-1 5

ASPECTOS CRlTlCOS DE DISENO Y RESULTADOS Capítulo 3

_ _ . .

99.5 ........... : ........... : . . . . . . . . . ...................

A s n Y

O Q - U ...................................................................

......... ,_..._ ............................ 97.5 -

97

.. . -...,

-25.0000 !US

(b)

Fig. 3.9 Formas de onda de: a) voltaje 15OVIDiv) y b) corriente (5OmAIDiv) en el capacitor resonante del prototipo de balastro electr6nico.

En la figura 3.10 se presenta la variación que presenta el FP respecto a las variaciones de la tensión de alimentación; se puede ver como existe un ligero decremento.del FP con forme se incrementa la tensión de entrada (VI,,), esto se debe al hecho de que al tener la tensión máxima de entrada la magnitud del THD es más mayor. Las condiciones bajo las que fueron tomadas las lecturas para los diferentes valores de FP se hizo variando la tensión de entrada en un rango de VI, = 108 a 132 Vms.

Fig. 3.10 Gráficas del FP vs V,,

La figura 3.1 1 muestra la variación que presenta el THD, respecto a las variaciones de la tensión de alimentación. Partiendo del hecho, que el rizado en la corriente de entrada se mantiene constante (= 30%). la magnitud del THD crece conforme la tensión máxima de entrada aumenta y la corriente de entrada es hace más pequeiia; dando como resultado que el porcentaje de rizado sea más significativo. Las condiciones bajo las que fueron tomadas las lecturas para los diferentes valores de THD se hizo variando la tensión de entrada en un rango de V,, = 108 a 132 V,, y tomando en consideración hasta el noveno armónico.

3-1 6

CBp(tUL0 3. ASPECTOS CRlTlCOS DE D I S E R 0 Y RESULTADOS

,.4

<.2

......................... ........,.

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

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

........... :. .......................................................

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

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

Fig. 3.1 1 Gráfica del THD vs V,,

En la figura 3.12 se muestra una gráfica de eficencia total íPoUT/P,,i del prototipo de balastro electrónico que se ha desarrollado, bajo la condición de potencia de salida constante (lámpara fluorescente encendida) y con variación de diferentes tensiones de alimentación de línea (VI,= 108 a 132 Vms). La eficiencia obtenida en el prototipo trabajando a voltaje nominal de línea (VI, = 120V,,), fue del orden de 73.1 9%.

. . 75 .. .......................................

IO5 110 125 iao

Vm Fig. 3.1 2 Gráfica de eficiencia vs Voltaje de llnea de CA del prototipo de

balastro electrónico desarrollado.

La figura 3.13 muestra una fotografía del prototipo de balastro electrónico que fue desarrollado, en la cual se incorpora la corrección activa del factor de potencia.

3-17

ASPECTOS CRITICOS DE DiSErO Y RESULTADOS capítulo 3 .

Fig. 3.13 Prototipo de balastro electr6nico que incorpora CFP activo.

En el capítulo 4 se presentará un análisis de otras alternativas de corrección de factor de potencia activo. El análisis de otras alternativas se hará de manera compartiva entre las topolgías "Cuk", "Sepic" y "Boost". Las comparaciones a realizar son con base al modo de control, modo de conducción, THD y FP Dicha comparación será únicamente en la etapa de CFP. Cabe hacer la aclaración que la topología implementada como etapa de CFP en el prototipo de balastro electrónico desarrollado en esta tesis fue la topología "Boost", y los prototipos de las topologlas "Cuk" y "Sepic" fueron desarrolladas de manera independiente a esta tesis, dentro de un convenio de colaboración entre CENIDET y la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) [24].

3-18

Capítulo 4 ANAUSIS DE OTRAS ALTERNATIVAS PARA LA ETAPA DE CFP

4.1 Otras Alternativas para la etapa de CFP.

4.1.1 Convertidores Correctores del Factor de Potencia Sepic y Cuk. . .

4.2 Comparaci6n de Resultados Boost, Sepic y Cuk (CFP).

.-----

CAPITULO 4

ANALISIS DE OTRAS ALTERNATIVAS PARA LA ETAPA DE CFP

INTRODUCCION

En este capítulo se abordará el análisis comparativo de los distintos esquemas de topologías ("Cuk", "Sepic" y "Boost") empleadas como circuitos para la corrección activa del FP. También se darán los resultados obtenidos de cada una de las topologías antes mencionadas como etapas de CFP. Los resultados a presentarse serán el THD, FP y voltaje de salida normalizado en función de variaciones de la tensión de alimentación de línea de CA, así como también se mencionará el tipo de control implementado para las diferentes topologías antes mencionadas.

Como se ha mencionado en capítulos anteriores, la razón por la cual es deseable poder implementar un etapa de CFP de manera activa a un equipo eléctrico-electrónico (ej. balastro electrónico, fuentes para PC's, etc,.), es que dichos equipos presentan el problema de tener bajos valores de factor de potencia, debido a su comportamiento como una carga "no heal " [221 para la red de distribución de CA, provocando con esto que la cantidad de energía eléctrica que debe proporcionar la fuente de CA sea mayor a la que realmente el equipo consumirá.

Una definición de FP que es válida para cualquier circuito eléctrico es la siguiente: el FP es una medida de la eficiencia de la transferencia de potencia de un circuito, vista en las terminales de entrada de dicho circuito, y puede expresarse como la razón de la potencia real absorbida por un circuito entre la potencia aparente que dicho circuito demanda a su fuente de alimentación (en la mayoría de los casos, de la línea de CA). La ecuación (4.1 ) define matemáticamente al FP [231:

1 J TVidt T O FP = (4.1)

Esta definición de FP iec. 4.1) es aplicable a cualquier circuito eléctrico, independientemente de que sus formas de onda de corriente y voltaje de entrada sean senoidales o no.

4.1 Otras Alternativas para la etapa de CFP

El siguiente análisis comparativo pretende corroborar experimentalmente el estudio de las diferentes topologías activas que son factibles de implementarse como etapas de Corrección de Factor de Potencia (CFP) a un equipo electrónico. Se probaron

4- 1

ANALISIS DE OTRAS ALTERNATIVAS PARA LA ETAPA DE CFP Cavítuio 4

experimentalmente de manera comparativa las topologías "Boost", "Sepic" y "Cuk"; cabe mencionar que estas dos últimas fueron desarrolladas de manera independiente a esta tesis (convenio de colaboración CENIDET/UAM). En el convertidor "Boost" que se implement6 trabaja en modo de conducción continuo (sección 3.2.1.1) y es controlado por el método modo corriente promedio (sección 2.1.3 y 3.2.2). Los Convertidores "Sepic" y "Cuk" se implementaron para trabajar en modo de conducción discontinuo y con un control seguidor de voltaje.

4.1.1 Convertidores Correctores del Factor de Potencia "Sepic" y "Cuk".

Los convertidores "Sepic" y "Cuk", que son topologias derivadas del convertidor reductor-elevador, al trabajar en en Modo de Conducción Discontinuo (MCD) corrigen de manera natural el factor de potencia; esto es, el valor medio de la corriente de entrada en estos convertidores es directamente proporcional a la tensión de entrada siempre que el convertidor se mantenga en MCD y el tiempo de conducción del transistor de conmutación se mantenga constante, de tal forma que el convertidor pueda ser utilizado como un emulador de resistencia natural, simplificándose con esto el lazo de retroalimentación (se requisre solo un lazo de control). La estructura básica del "Sepic" y la del "Cuk" se presentan en la figura 4.1. El control en ambos convertidores consta de un solo lazo de retroalimentación, para mantener la regulación del voltaje en su salida.

FILTRO PA80 üAJ0

CONTROLADOR

Vret

- a)

4-2

' ,

Capftulo 4 ANALISIS DE OTRAS ALTERNATIVAS PARA LA ETAPA DE S P

PASO BAJO

CONTROLADOR

V ie t

- b)

Fig.4.1 Convertidores a) "Sepic" y b) "Cuk" con control modo seguidor de voltaje.

Algunas de las ventajas más importantes que presenta la topología "Sepic" son:

- Corriente de entrada no pulsante. - Transistor referido a tierra. - Admite aislamiento galvánico. - El voltaje de salida puede ser mayor o menor que el voltaje de salida.

Entre sus desventajas más importantes podríamos mencionar que:

- Usa dos elementos reactivos. - Solicitaciones eléctricas de voltaje y corriente en los semiconductores altas.

La topología "Cuk" presenta la mismas ventajas que la topologia "Sepic" y además la siguiente:

- Bajo rizo de corriente en el condensador de alta frecuencia (C1 .)

Presenta también las mismas desventajas que la topologia "Sepic" y además la siguiente:

- Voltaje inverso a la salida

En la tabla 4.1 se presentan las solicitaciones eléctricas de los dispositivos semiconductores en cada una de las tres topologías "Boost", "Sepic" y "Cuk" cuando se

4-3

Capítulo 4 A N A L l s l s DE OTRAS ALTERNATUTIVAS PARI LA ETAPA DE C W

BOOST SEPIC Solicitaciones Eléctricas

Corriente en el Diodo I-=-- 1. ,-,!& M L.9

=v +v Voltaje en el Diodo v--VS v, s Pm

y& 'nnú & Corriente en el Transistor I--- 4

Voltaje en el Transistor v,- vs v,=vs+ v-

CUK

hnx- _v,T, L 4

v-= v,+ v.

y& hmr= L,

vm= vs+ v-

. . vil

Fia.4.2 Influencia de las variaciones voltaje de entrada vs voltaje de salida de las tres topologlas implementadas.

En la figura 4.2 se muestra la regulación de línea obtenida con cada una de las

4-4

Capitulo O ANALISIS DE OTRAS ALTERNATIVAS PARA LA ETAPA DE CFP

............... Ieoosl I 1 . . . . ....... ........................

.

(4.2)

Donde: i dm es el valor eficaz de la armónica "n". i es el valor eficaz de la fundamental.

En la figura 4.4, se puede ver que el convertidor "Boost" tienen un factor de potencia (0.987) más proximo a la unidad para el mejor caso, esto se debe a que el factor de desplazamiento (desfasamiento entre la corriente, el voltaje de linea y el factor de distorsibn), es mucho menor que para los convertidores "Sepicw (0.924) y "Cuk" (0.931) para el mejor caso, lo cual se puede constatar en las figuras 4.5, 4.6 y 4.7, en las cuales se puede observar el voltaje y la corriente de línea que alimentan a estos convertidores.

4-5

ANALISIS DE OTRAS ALTERNATIVAS PARA LA ETAPA DE UP Capitulo 4

Para efectuar el C&ICU\O del factor de potencia se considero el THD V el Factor de Distorsión (FD), en el cual se empleo el ángulo de desplazamiento que existe entre la corriente y la el voltaje de línea. Las ecuaclones (4.3 y 4.4) empleadas para este cálculo se presenta a continuación i71.

(4.31 1 FD=

m-mtcase (4.41

Donde: 6 es el ángulo de desplazamiento de la corriente respecto a voltaje de línea

. . 1 ................................................................. 0.08 ................................... ’..”.”’.”’’.’.’.< .......... i - i :BOOST

0.B..

1 oa ? ! O 135 120 125 4 30 135

Vm Fig.4.4 Variación del Factor de Potencia vs voltaje de entrada de las tres

topoiglas implementadas.

Fig.4.5 Formas de onda de voltaje (5OVIDiv) y corriente (0.5A/Div) de llnea del convertidor “Boost”.

4-6

ANALISIS DE OTRAS ALTERNATIVAS PARA LA ETAPA DE CFP Capítulo 4

la figura 4.5 se muestran las formas de onda del voltaje Y la corriente de línea obtenidas para el convertidor "Boost". El valor medido de FP=98.76'?40 Y THD= 1.91 ?'O fue bajo las condiciones de voltaje nominal de entrada v, = i 20v,, Y una Potencia de salida constante de Pour = 50".

zs.itwm IS

Fig.4.6 Formas de onda de voltaje (50VIDiv) y corriente (0.5AIDiv) de línea del convertidor "Sepic".

En la figura 4.6 se muestran las formas de onda del voltaje y la corriente de línea obtenidas para el, convertidor "Sepic". El valor medido de FP = 90.03% y THD = 7.98% fue bajo las condiciones de voltaje nominal de entrada V, = 120V,, y una potencia de salida constante de POUT = 50W.

d

o. 1ioooo L 25.0000 1 5

Fig.4.7 Formas de onda de voltaje (50V/Divi y corriente (0.5AIDivI de llnea del convertidor "Cuk".

En la figura 4.7 se muestran las formas de onda del voltaje y la corriente de línea obtenidas Para el convertidor "Cuk". El valor medido de ~p=92.10% ,, THD=6.3% fue bajo las condiciones de voltaje nominal de entrada V,, = 1 20VRpIIc y una potencia de salida constante de Pour = 50W.

En el capitulo 5 se darán las conclusiones de la tesis, así como trabajos futuros que puedan dar continuación a esta tesis.

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Capítulo 5 CONCLUSIONES >

CONCLUSIONES capítulo 5

CONCLUSIONES

El considerable aumento del número de equipos eléctricos-electrónicos (ej. balastro electrónico, fuentes para PC's, etc.), con bajos factores de potencia (FP), conectados a la línea de distribución de CA, ha motivado un interes por tratar de tener la capacidad de incorporar la corrección del FP a dichos equipos, como una forma para lograr un mejor aprovechamiento de la energía eléctrica.

El lograr tener la capacidad de incorporar Corrección del Factor de Potencia (CFP) a los equipos antes mencionados, da como resultado tener un ahorro considerable de energía eléctrica: ya que otra problemática actual que vive el país, así como el resto del mundo es el tener que producir cada día más energía eléctrica para poder cubrir la gran demanda que existe en la actualidad. Por lo cual se han empezado a tomar medidas para el ahorro de energía eléctrica.

Una de estas medidas ha sido enfocada a los Sistemas de lluminacidn (Si), particularmente en los SI fluorescentes; lo cual a provocado una evolución constante en mejorar las características del propio tubo fluorescente con el fin de obtener un mejor rendimiento luminoso, haciendo cambios en la composición de los gases de llenado y composición de las sustancias fluorescentes: así como también se han hecho cambios en el sistema de alimentación al tubo fluorescente (balastro), el cual se utiliza para obtener las condiciones de ignición (encendido) de la lámpara y limitar su corriente de operación.

En esta tesis se realizó el diseño y desarrollo de un prototipo experimental de balastro electrónico al cual se le incorporó la capacidad de corrección activa del FP utilizando convertidores CD/CD (métodos activos), fomentado el desarrollo e investigación alrededor de las topologías óptimas para realizar dicha función.

Se lograron resultados sastifactorios en ambas etapas que conforman al balasrro electrónico, como fueron un FPr98% y THDs2.3% al utilizar la topologfa "Boost". El contenido armónico total cumplen con los requerimientos buscados, según el estándar de la IEC 555-2 para luminarias.

Con relación a la forma en la que se implemento el prototipo de balastro electrdnico cabe mencionar que se logro obtener un circuito impreso; en el cual se trato de cumplir con las dimensiones de largo, ancho y altura de un balastro electrónico comercial. La técnica utilizada para el circuito impreso fue la de serigrafía.

Las diferencias que Presentan las tres topologías ("Boost", "Sepic" y "Cuk") analizadas como etapas de CFP, con respecto a la complejidad de la etapa de potencia, del esquema de control, o de los esfuerzos en componentes y de los propios resultados obtenidos en términos de FP y THD. no permiten establecer una única solución general, por lo que los requerimientos de costo, cumplimiento de la tendencia futura de las normas aplicables, etc., determinarían en cada caso cual sería la topología dptima a usar.

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CONCLUSIONES Capitulo 5

Con relación a las aportaciones de este trabajo, puede manifestarse que la aportación de este proyecto es la asimilación de la tecnología en torno a la corrección del FP, y la aplicación de la misma al desarrollo de equipo electrónico (balastro electrónico) que sea capaz de incorporar dicha corrección desde su propia fuente de alimentación. Esta asimilación de tecnología a permitido conformar un grupo de trabajo en torno a este tema en CENIDET y además de abrir líneas de investigación en sistemas de iluminación fluorescentes.

PROPUESTAS PARA FUTUROS TRABAJOS

Se propone trabajar con esquemas de modulación de frecuencia, en el manejador de la lámpara, dejando el tiempo de conducción constante. Con este esquema se obtiene una mejor inmunidad a las variaciones de los elementos del circuito resonante, al poderse efectuar un barrido de frecuencia durante la energización del balastro electrónico, además de facilitar el control de intensidad luminosa.

Se recomienda trabajar con nuevos esquemas en el manejador para la lámpara, en los cuales se efectué el manejo de la etapa de potencia, a través de un solo elemento de conmutación (topolglas resonantes como el amplificador clase "E") y disminuir las perdidas Por conmutación (técnicas de conmutación a corriente o tensión cero), con la correspondiente reducción de costo que es muy importante en este tipo de equipos, además de los beneficios que en relación a disminución del volumen de elementos magnéticos que se tendriamos por la operación en alta frecuencia.

Fig. 5.1 Sistema con etapa única de CFP para alimentaci6n de "n" Balastros Electrbnicos.

Por otro lado, dado que la inclusión de una etapa activa de CFP en el balastro repercute fuertemente en el costo, podría ser interesante tener un sistema en el que se tuviera una

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Capitulo 5 CONCLUSIONES

etapa única de CFP que alimente a balastros electrónicos para el control independiente de cada grupo de lámparas fluorescentes (ver figura 5.1).

OTROS LOGROS

Durante la realización de esta tesis se logro la aceptación de un artículo en un congreso internacional.

El artículo que fue aceptado y publicado en la memoria técnica del IEEE International Power Electronics Congress "CIEP'94". realizado en la Universidad de las Americas (UDLA) de Puebla es:

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"Evaluation of Boost, Sepic and Cuk Topologies as Power Factor Correction Stage in Electronic Ballast Applications".

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Referencias

REFERENCIAS

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Apéndice "A " -

Parámetros Importantes en el Diseño de Balastios Electrónicos

APEYDICES

Factor de Potencia: APENDICE "A"

Deberá ser al menos 0.90 según los codigos de requerimientos para balastros de iluminación comercial e industrial. La manera propia de calcular el FP es dividir la potencia entregada al conjunto balastro-lámpara por el producto del amperaje y voltaje de línea.

Distorsión Armónica Total (THD):

Actualmente esto no esta específicado, sin embargo, ANSI, NEMA, y Underwriters Laboratory (UL) estan investigando con gran interes. Es probable que este estándar sea impuesto lo cual limitaría el THD en el rango de 25-33%, y el diseiiador deberá considerar esta limitación cuando diseñe un balastro.

RFIIEMI:

Los balastros son cubiertos por las regulaciones de la FCC (Federal Communications Commission). Estas están contenidas en el codigo de regulaciones federales, sección 47, parte 18, dispositivos de iluminación RF. Hay dos clases de regulaciones aplicables para balastros. La primera aplicada para uso comercial e industrial y la segunda es para aplicación residencial.

Protección a Transitorios de Línea:

Los balastros electrónicos operados en alta frecuencia son más suseptibles a los transitorios de línea que los balastros electromagnéticos que trabajan a frecuencia de línea. Los requerimientos para esta protección a transitorios esta contenida en la norma ANWIEEE C62.41.

Corriente de Arranque (In-Rush Current):

Una corriente de entrada (in-rush current) más alta que la normal por encima de la potencia entregada al balastro tendra un efecto adverso en el interruptor automático (breaker) de línea del circuito.

Regulación de Línea :

Es la habilidad del balastro del balastro para mantener un nivel constante de salida de luz bajo las condiciones de variación de voltaje de entrada. Un buen balastro con alto factor de Potencia de grado comercial mantendrá el nivel constante de salida de luz dentro del f 5 a f 10% de cambio de voltaje de Ilnea. Sí el balastro de estado-sólido es destinado para ser usado con un esquema de control de intensidad luminosa, es apropiado diseñar el balastro con características pobres de regulación de línea.

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APEYD ICES

Voltaje en Circuito Abierto:

Este deberá ser el mínimo para encender apropiadamente a la lámpara fluorescente. ANSI C82.1 define el mínimo voltaje en circuito abierto o voltaje de arranque para la lámpara. Una buena regla práctica es diseñar al balastro con un voltaje en circuito abierto mínimo (según norma C82.1) necesario para arrancar todos los tipos destinados de lámparas al voltaje de entrada nominal y al rango mínimo de temperatura ambiente, el usualmente esta en l ’ , O o 15OC.

Parpadedo (Flicker):

El porcentaje de parpadeo es una medición de la modulación de salida de luz y esta definido como la diferencia entre la intensidad máxima y mínima dividida por su suma. Las lámparas fluorescentes operadas a 60Hz parpadean a una razón de 120Hz y tienen aproximadamente un 33% de parpadeo.

Arranque de la Lámpara:

Este es probablemente el aspecto técnicamente más importante en el desarrollo de un balastro de estado-sólido. La razón para esto es que, con la excepción del factor de cresta (CF) de la lámpara, la vida de la lámpara es determinada por el entendimiento del diseñador de los requerimientos e implementación de un apropiado arranque de la lámpara.

Factor de Cresta (CF) de la Corriente de la Lámpara:

El factor de cresta juega un papel importante en el diseño de balastros. El factor de cresta (CF) es la razón del pico de la corriente de la lámpara con respecto al valor rms. Para balastros en alta frecuencia es el pico de la envolvente modulada con respecto al valor rms. La situación ideal es manejar la lámpara con una senoidal pura sin distorsión. La mayoría de los fabricantes de lámparas recomienda que el máximo CF sea de 1.7 para lámparas de arranque rápido y 1.85 para lámparas de arranque instantáneo. Esto es confirmado en la norma ANSI C82.1.

Factor de Eficiencia del Balastro (BEF):

Es la medición relativa de la eficiencia del sistema del conjunto balastro-lámpara fluorescente. El factor de eficiencia del balastro es la razón de la salida de luz relativa dividida por la potencia de entrada cuando se prueba bajo las condiciones especificadas en ANSI C82.1. El BEF es dado segan la siguiente relación:

BEF = FactoráeBalsstro( BF) Potencia deentrada dBalastro

Donde BF: Es la razón de luz de salida producida por la lámpara operada por un balastro comercial contra la luz de salida de la misma lámpara cuando es operada por un balastro de referencia estándar de laboratorio (balastro patrón).

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Publicación de Trabajos

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APEWDICES

APENDICE B

EVALUATION or noosr. SEPIC ANO CUK TOPOLOGIS AS WWEW FAC~OR COWllECTlON STAGE IN E1,ECTROSIC IIAI.I.AST AI'I'LICATIONS

R. ANTONIO' D. AüUD' G .lMENLZ*~ J ARAU'.

Intermdo Palmira U"

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