9555

UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE LA MIXTECA

Tesis

Diseo y Construccin de un Balastro Electrnico alimentado con CD para encender una Lmpara

Fluorescente de 21 Watts

Para obtener el ttulo de: Ingeniero en Electrnica

Presenta No Mrquez Avendao

Director de Tesis: M.C. Esteban Osvaldo Guerrero Ramrez

Huajuapan de Len, Oaxaca. Marzo de 2005

ii Diseo y construccin de un Balastro Electrnico alimentado con CD

Tesis presentada el 17 de Marzo de 2005 ante los siguientes sinodales: C. Dr. Felipe Santiago Espinosa . M.C. Fermn Hugo Ramrez Leyva M.C. Alejandro Ruiz Figueroa .

Bajo la direccin de:

M.C. Esteban O. Guerrero Ramrez

iv Diseo y construccin de un Balastro Electrnico alimentado con CD

Dedicatoria

Dedico este trabajo a las personas ms importantes en mi vida que han compartido conmigo momentos inolvidables y que hemos permanecido unidos a pesar de todas las adversidades.

Con todo mi cario:

A MIS PADRES

No Rosendo Mrquez y Esperanza Avendao P.

A MIS HEMANAS

Carolina E. Mrquez A, Gloria Elida Mrquez A.

No

vi Diseo y construccin de un Balastro Electrnico alimentado con CD

Agradecimientos vii

Agradecimientos Le agradezco principalmente:

A Dios Por darme la oportunidad de estar aqu para realizar este sueo. Por la felicidad y los beneficios que he recibido en mi vida te los debo sin duda alguna a ti Dios y te agradezco que siempre ests conmigo.

A mi padre: No Rosendo Mrquez Qu puedo decirte, sino mil gracias por ser el mejor ejemplo que he podido tener, eres el mejor padre que existe en el mundo. No puedo expresar todo lo que siento por ti, as que solamente digo GRACIAS, este trabajo es tuyo.

A mi madre: Esperanza Avendao Porras A ti te doy gracias por todos tus cuidados y porque siempre creste en m. Eres la mejor mujer que conozco. Te dedico este trabajo porque es algo que sin tu apoyo no hubiera podido ser.

A mis hermanas: Carolina y Elida, primeramente por ser mis hermanas, por estar ah para ayudarme y asesrame en diferentes cosas, por preocuparse por mi y por todas las alegras que hemos pasado juntos las adoro.

A mi familia: Se la dedico a todos mis tos, primos, abuelitas. Pero en especial a mi abuelita Esperanza, a mi to Roberto, a mis padrinos Elida y Abelardo, a Chaly, Alejo y Juan, que estuvieron apoyndome siempre con sus consejos.

A mi novia: Fabiola P. Cruz Prez. A ti faby, gracias por todo tu apoyo, confianza y consejos que me has brindado todo el tiempo y por ser el aliento que me impulsa a seguir adelante cada da TAM.

viii Diseo y construccin de un Balastro Electrnico alimentado con CD

A mis queridos amigos de la infancia: David O. Bernal Guerra (pollo), Jos Lus Guzmn Nolasco (Chepe), Maria Luisa Santos Cuellar (Michi), Carlos Aguirre Leyva (Charul), Cinthia Reyes Tiburcio (Cinthiux), Bertha A. Cervantes , Bere Techacha, nayelly vega, por ser los mejores amigos que he tenido desde muy pequeo, por estar conmigo incondicionalmente, por compartir sus experiencias conmigo, por el apoyo y el impulso que me han dado siempre, por compartir momentos inolvidables llenos de alegra y tristeza, pero que han hecho crecer y fortalecer nuestra amistad los quiero un montn.

A mi amigusima Sara I. Martnez Lpez: Gracias por tu amistad que es muy importante para m, por tu apoyo incondicional que me has brindado y por todos los momentos de alegra que hemos pasado juntos TQM.

Agradezco a mis compaeros: De la carrera de ingeniera en electrnica de la Universidad Tecnolgica de la Mixteca, porque la constante comunicacin con ellos ha contribuido en gran medida a transformar y mejorar mi forma de actuar, pensar en mi trabajo, especialmente a Oscar, Ivn, Carlos, Alfredo, Hever, Roci, Gabo, Chif, Tomas.

A mis profesores: Agradezco a todos lo profesores que de alguna manera contribuyeron en mi desarrollo en la carrera de electrnica, pero quiero darle un agradecimiento especial a mi director de tesis Esteban O. Guerrero Ramrez por su amistad, por compartir sus conocimientos y su valioso tiempo dedicado a este trabajo de tesis. Tambin a Heriberto I. Hernndez Martnez por su ayuda incondicional, consejos y motivacin que me brindo en este trabajo de tesis. A Fermn Hugo Ramrez Leyva, Felipe Santiago Espinosa y Alejandro Ruiz Figueroa, por la gran contribucin que brindaron en la revisin de este documento, por sus valiosas sugerencias para que ste fuera un buen trabajo, y por todo el apoyo y amistad que me brindaron durante toda mi carrera.

Finalmente a todas aquellas personas que me brindaron cario, comprensin y apoyo, dndome con ello, momentos muy gratos. Mil gracias. No.

ndice general.ix Lista de figuras.....xiii Lista de tablas......xvii Simbologa.xix Introduccin..xxi

1. Lmparas de descarga ..................................................................................1 1.1 Introduccin ................................................................................................................ 1 1.2 Antecedentes............................................................................................................... 2

1.2.1 Naturaleza de la luz................................................................................................. 2 1.2.2 Clasificacin de las fuentes luminosas ................................................................... 2 1.2.3 Clasificacin de las fuentes luminosas de acuerdo a la transformacin de energa 3 1.2.4 Propiedades cromticas de las fuentes luminosas................................................... 4

1.2.4.1 Temperatura del color..................................................................................... 4 1.2.4.2 ndice del rendimiento del color (IRC)........................................................... 5

1.2.5 Unidades luminosas ................................................................................................ 5 1.3 Clasificacin de las lmparas elctricas...................................................................... 5

1.3.1 Lmparas de incandescencia................................................................................... 6 1.3.1.1 Lmpara incandescente convencional ............................................................ 6 1.3.1.2 Lmpara incandescente halgena ................................................................... 7 1.3.1.3 Caractersticas de las lmparas de incandescencia ......................................... 8

1.3.2 Lmparas de descarga gaseosa ............................................................................... 8 1.3.2.1 Lmparas de vapor de mercurio...................................................................... 9

1.3.2.1.1 Lmparas de vapor de mercurio a baja presin ........................................ 9 1.3.2.1.2 Lmparas de vapor de mercurio a alta presin ......................................... 9

1.3.2.2 Lmparas de vapor de sodio ......................................................................... 11 1.3.2.2.1 Lmparas de vapor de sodio de baja presin .......................................... 11 1.3.2.2.2 Lmpara de vapor de sodio de alta presin............................................. 12 1.3.2.2.3 Caractersticas de las lmparas de descarga ........................................... 13

x Diseo y construccin de un Balastro Electrnico alimentado con CD

1.4 Lmpara fluorescente.................................................................................................13 1.4.1 Partes de una lmpara fluorescente........................................................................14 1.4.2 Principio de funcionamiento..................................................................................15

1.4.2.1 Estado de la descarga en los gases.................................................................15 1.4.2.2 Tiempo de mxima emisin luminosa de la lmpara fluorescente................16

1.4.3 Tipos de encendidos de las lmparas fluorescentes...............................................17 1.4.4 Efecto de la frecuencia en las lmparas fluorescentes...........................................18

1.4.4.1 Operacin en baja frecuencia.........................................................................18 1.4.4.2 Operacin en alta frecuencia .........................................................................19

2. Balastros .......................................................................................................21 2.1 Introduccin...............................................................................................................21 2.2 Balastros para lmparas de descarga .........................................................................22

2.2.1 Clasificacin de los balastros.................................................................................22 2.2.1.1 Balastro electromagntico .............................................................................22

2.2.1.1.1 Tipos de balastros electromagnticos para lmparas fluorescentes.........22 2.2.1.1.2 Partes de un balastro electromagntico....................................................23

2.2.1.2 Balastro electrnico .......................................................................................24 2.2.1.3 Comparacin entre los balastros....................................................................25

2.3 Inversor resonante......................................................................................................26 2.3.1 Topologas bsicas de inversores...........................................................................27

2.3.1.1 Inversor Push-Pull .........................................................................................28 2.3.1.2 Inversor Medio puente...................................................................................29 2.3.1.3 Amplificador Clase D ....................................................................................30 2.3.1.4 Inversor puente completo ..............................................................................30 2.3.1.5 Amplificador clase E conmutado a voltaje cero ............................................31

2.3.2 Seleccin de la topologa inversora .......................................................................32 2.3.3 Tanque Resonante..................................................................................................33

2.3.3.1 Caractersticas del tanque resonante..............................................................34 2.3.3.1.1 Combinaciones de los elementos del tanque resonante...........................34 2.3.3.1.2 Anlisis de las distintas combinaciones...................................................35

2.3.3.2 Seleccin del tanque resonante......................................................................35 2.3.3.2.1 Tanque resonante LC paralelo (LCP) ......................................................36 2.3.3.2.2 Tanque resonante LCC paralelo (LCCP).................................................37 2.3.3.2.3 Tanque resonante LCC serie (LCCS) ......................................................38

3. Anlisis y Diseo del balastro electrnico .................................................41 3.1 Introduccin...............................................................................................................41 3.2 Anlisis del balastro electrnico................................................................................41

3.2.1 Especificaciones de la lmpara fluorescentes........................................................42 3.2.2 Especificaciones del circuito oscilador-impulsor ..................................................43

3.2.2.1 Circuito oscilador...........................................................................................43 3.2.2.2 Circuito impulsor ...........................................................................................45

3.2.3 Especificaciones del ACECVC y el tanque resonante ..........................................46 3.2.3.1 Seleccin del interruptor................................................................................47 3.2.3.2 Factor de calidad (Q) y relacin de inductancias (H) ....................................49

3.3 Diseo del balastro electrnico..................................................................................49 3.3.1 Seales generadas por el programa de diseo .......................................................51

ndice General xi

3.4 Diseo de los inductores ........................................................................................... 52 3.4.1 Especificaciones de un ncleo de ferrita RM ....................................................... 53 3.4.2 Especificaciones de diseo ................................................................................... 54 3.4.3 Procedimiento de diseo de inductores con ncleo de ferrita RM ....................... 54

3.4.3.1 Conductor de cobre...................................................................................... 55 3.4.3.2 Nmero total de espiras en el ncleo RM..................................................... 56 3.4.3.3 Nmero de vueltas en el inductor ................................................................. 56

4. Simulaciones y Resultados experimentales...............................................57 4.1 Introduccin .............................................................................................................. 57 4.2 Simulacin del circuito ............................................................................................. 58

4.2.1 Estado de Pre-Encendido ...................................................................................... 58 4.2.2 Estado estable del balastro electrnico ................................................................. 60

4.2.2.1 Formas de onda en la fuente de alimentacin............................................... 60 4.2.2.2 Formas de onda en el interruptor .................................................................. 60 4.2.2.3 Seales en la Lmpara fluorescente.............................................................. 62 4.2.2.4 Eficiencia ...................................................................................................... 63 4.2.2.5 Corriente en el inductor Lo........................................................................... 63

4.3 Prototipo experimental del Balastro Electrnico ...................................................... 64 4.3.1 Instalacin del sistema de iluminacin ................................................................. 64 4.3.2 Resultados experimentales.................................................................................... 65

4.3.2.1 Estado de Pre-encendido............................................................................... 65 4.3.2.2 Estado estable ............................................................................................... 66

4.3.2.2.1 Seales en la fuente de alimentacin ...................................................... 66 4.3.2.2.2 Seales en el interruptor ......................................................................... 66 4.3.2.2.3 Seales en la lmpara fluorescente ......................................................... 67 4.3.2.2.4 Potencia en la lmpara fluorescente........................................................ 68 4.3.2.2.5 Otros parmetros..................................................................................... 68

4.4 Comparacin de simulaciones y resultados experimentales..................................... 69 4.4.1 Comparacin con un balastro comercial............................................................... 71

5. Conclusiones.................................................................................................75 5.1 Trabajos futuros ........................................................................................................ 76

6. Bibliografa...................................................................................................77 6.1 Paginas de internet .................................................................................................... 79

Anexo A Manual de usuario del programa de diseo para un balastro electrnico basado en el ACECVC y un tanque resonante LCC serie....A-1

A.1 Elementos de la ventana principal ...................................................................... A-1 A.1.1 Botones de diseo de cada etapa del balastro ..................................................... A-2 A.1.2 Clculo de la resistencia interna lmpara fluorescente ....................................... A-3 A.1.3 Diseo del circuito oscilador-impulsor............................................................... A-5 A.1.4 Diseo del ClassE/LCCs..................................................................................... A-8 A.1.5 Diseo de los Inductores RM............................................................................ A-11 A.1.6 Placa final ......................................................................................................... A-13

xii Diseo y construccin de un Balastro Electrnico alimentado con CD

Anexo B Elementos utilizados, fotografas, diagrama esquemtico, placa impresa y lista de materiales del balastro electrnico.....B-1 B.1 Lista de materiales y sistemas utilizados......B-1 B.2 Diagrama esquemtico.....B-4 B.3 Tabla de los calibres de cobre......B-5 B.4 Lista de componentesB-6 B.5 Tabla de los calibres de cobre...B-7 Anexo C Hojas de especificaciones de los dispositivos utilizados para el diseo del balastro electrnico.C-1 C.1 Hojas de especificaciones.....C-2 C.1.1 Diodo de rectificacin rpida...C-2 C.1.2 Mosfet de potencia IRFP450....C-3 C.1.3 Controlador de compuerta IR2110...C-5 C.1.4 Temporizador LMC555....C-8

Lista de figuras Figura 1.1 Diagrama del espectro electromagntico............................................................ 2 Figura 1.2 Clasificacin de las lmparas Elctricas............................................................. 5 Figura 1.3 Funcionamiento de una lmpara incandescente.................................................. 6 Figura 1.4 Partes de una lmpara incandescente.................................................................. 7 Figura 1.5 Lmpara incandescente halgena ....................................................................... 8 Figura 1.6 Descarga elctrica ............................................................................................... 8 Figura 1.7 Formas de lmparas fluorescentes ...................................................................... 9 Figura 1.8 Lmpara de vapor de mercurio a alta presin................................................... 10 Figura 1.9 Lmpara de mezcla ........................................................................................... 11 Figura 1.10 Lmpara de halogenuros metlicos................................................................... 11 Figura 1.11 Lmpara de vapor de sodio a baja presin........................................................ 11 Figura 1.12 Lmpara de vapor de sodio a alta presin......................................................... 12 Figura 1.13 Partes que constituyen una lmpara fluorescente ............................................. 14 Figura 1.14 Funcionamiento lmpara fluorescente .............................................................. 15 Figura 1.15 Ruptura de descarga en los gases...................................................................... 16 Figura 1.16 Tiempo de encendido de la lmpara fluorescente............................................. 17 Figura 1.17 Lmpara de arranque rpido ............................................................................. 18 Figura 1.18 Lmpara de arranque instantneo ..................................................................... 18 Figura 1.19 Forma de onda en baja frecuencia .................................................................... 19 Figura 1.20 Formas de onda a medida que aumenta la frecuencia ...................................... 20 Figura 2.1 Balastro de una lmpara de descarga................................................................ 21 Figura 2.2 Tipos de balastros para lmparas fluorescentes................................................ 23 Figura 2.3 Contenedor metlico del balastro ..................................................................... 23 Figura 2.4 Construccin interna de un cebador.................................................................. 24 Figura 2.5 Partes de un balastro electrnico convencional ................................................ 24 Figura 2.6 Diagrama a bloques de un Balastro Electrnico............................................... 25 Figura 2.7 Etapas de un inversor resonante........................................................................ 26 Figura 2.8 Comparativo de las prdidas generadas por la conmutacin dura y suave....... 27

xiv Diseo y construccin de un Balastro Electrnico alimentado con CD

Figura 2.9 Circuito esquemtico de un inversor Push-Pull.................................................28 Figura 2.10 Circuito esquemtico de un inversor medio puente...........................................29 Figura 2.11 Circuito esquemtico de un amplificador Clase D. ...........................................30 Figura 2.12 Circuito esquemtico de un inversor puente completo......................................30 Figura 2.13 Circuito esquemtico de un inversor clase E.....................................................31 Figura 2.14 Tanque Resonante LCR serie. ...........................................................................33 Figura 2.15 Tanque resonante LCR paralelo ........................................................................34 Figura 2.16 Combinaciones del tanque resonante entre la seal de entrada y la carga. .......34 Figura 2.17 Tanques resonantes para lmparas de arranque instantneo..............................36 Figura 2.18 Tanque resonante LC paralelo. ..........................................................................36 Figura 2.19 Circuito equivalente...........................................................................................37 Figura 2.20 Circuito equivalente durante el pre-encendido LCP..........................................37 Figura 2.21 Tanque resonante LCCP....................................................................................38 Figura 2.22 Circuito serie equivalente ..................................................................................38 Figura 2.23 Circuito equivalente durante el pre-encendido LCCP .......................................38 Figura 2.24 Tanque resonante LCCS....................................................................................39 Figura 2.25 Circuito serie equivalente ..................................................................................39 Figura 2.26 Circuito equivalente durante el preencendido LCCS ........................................39 Figura 3.1 Diagrama a bloques del balastro electrnico .....................................................42 Figura 3.2 Lectura de los smbolos en la lmpara...............................................................42 Figura 3.3 Circuito oscilador temporizador LMC555.........................................................44 Figura 3.4 Circuito impulsor IR2110 ..................................................................................45 Figura 3.5 Esquema del Balastro Electrnico. ....................................................................46 Figura 3.6 MOSFET y smbolo...........................................................................................47 Figura 3.7 Circuito del ACE con la capacitancia que forma C1..........................................48 Figura 3.8 Grafica de la capacitancia C1 contra el voltaje de alimentacin........................48 Figura 3.9 Grfica de la capacitancia Coss contra el voltaje drenaje fuente ........................49 Figura 3.10 Seales del programa de diseo.........................................................................51 Figura 3.11 Inductor con ncleo de aire................................................................................52 Figura 3.12 Tipos de ncleo de ferrita ..................................................................................53 Figura 3.13 Ncleo RM y su seccin transversal..................................................................54 Figura 3.14 Frecuencias de los diferentes tipos de materiales de ncleos de ferrita.............55 Figura 4.1 Circuito de preencendido. ..................................................................................58 Figura 4.2 Seal de preencendido del balastro electrnico.................................................58 Figura 4.3 Circuito de preencendido modificado................................................................59 Figura 4.4 Voltaje de preencendido en la lmpara fluorescente. ........................................59 Figura 4.5 Circuito en estado estable. .................................................................................60 Figura 4.6 Voltaje, corriente y potencia en la fuente de alimentacin................................61 Figura 4.7 Esfuerzo de voltaje en el DSEP y seal de compuerta. .....................................61 Figura 4.8 Esfuerzo de corriente en el DSEP y seal de compuerta...................................61 Figura 4.9 Esfuerzos de voltaje y corriente en el DSEP. ....................................................62 Figura 4.10 Seales de voltaje y corriente en la lmpara fluorescente. ................................62 Figura 4.11 Potencia promedio en la lmpara fluorescente. .................................................62 Figura 4.12 Eficiencia. ..........................................................................................................63 Figura 4.13 Corriente en el inductor Lo................................................................................63 Figura 4.14 Balastro electrnico ...........................................................................................64 Figura 4.15 Instalacin del sistema de iluminacin ..............................................................65

Lista de Figuras xv

Figura 4.16 Voltaje de preencendido de la lmpara fluorescente ........................................ 65 Figura 4.17 Voltaje de estado estable................................................................................... 66 Figura 4.18 Voltaje en el interruptor.................................................................................... 66 Figura 4.19 Corriente en el interruptor................................................................................. 67 Figura 4.20 Seal de control y voltaje en el interruptor....................................................... 67 Figura 4.21 Voltaje y corriente del interruptor .................................................................... 67 Figura 4.22 Voltaje y corriente experimentales en la lmpara............................................. 68 Figura 4.23 Potencia en la lmpara fluorescente.................................................................. 68 Figura 4.24 Corriente del inductor Lo.................................................................................. 68 Figura 4.25 Comparacin de resultados experimentales y simulaciones............................. 69 Figura 4.26 Armnicos de la seal de voltaje y corriente de la lmpara ............................. 71 Figura 4.27 Voltaje en la lmpara fluorescente.................................................................... 71 Figura 4.28 Corriente en la lmpara fluorescente ................................................................ 71 Figura 4.29 Conexin de medicin del balastro electromagntico ...................................... 72 Figura 4.30 Potencia de entrada y salida del balastro electromagntico.............................. 72 Figura 4.31 Armnicos en la lmpara fluorescente.............................................................. 73

Figura A.1 Pantalla principal del programa de diseoA-2 Figura A.2 Men de botones de diseo ...A-3 Figura A.3 Botn Lmpara fluorescente.A-3 Figura A.4 Ventana del clculo de la resistencia interna de la lmpara fluorescente.A-4 Figura A.5 Bloques de clculo de la lmpara..A-5 Figura A.6 Botn Lmpara fluorescente.A-5 Figura A.7 Diseo del circuito oscilador impulsor..A-6 Figura A.8 Panel clculo del BoostrapA-7 Figura A.9 Panel de resistencia, capacitor y resultados...A-7 Figura A.10 Perodo total, tiempo en alto y bajo de la seal.A-7 Figura A.11 Botn Lmpara fluorescente.A-8 Figura A.12 Diseo del circuito oscilador impulsor.....A-8 Figura A.13 Datos Amp. Clase E......A-9 Figura A.14 Panel principal balastro electrnicoA-10 Figura A.15 Tablas que genera el programa de diseo...A-11 Figura A.16 Botn diseo de inductores .....A-11 Figura A.17 Diseo del circuito oscilador impulsor....A-12 Figura A.18 Diseo de tanque resonante.....A-12 Figura A.19 Especificaciones del ncleo RM.....A-13 Figura A.20 Botn Lmpara fluorescente...A-13 Figura A.21 Diseo final del balastro electrnico...A-14

Figura B.1 Elementos de medicin del balastro electrnicoB-1 Figura B.2 Conexin del Balastro electrnico.B-2 Figura B.3 Capturacion de datos computadoraB-2 Figura B.4 Comparacin de la emisin de luz.B-3 Figura B.5 Fluke 43 power quality analyzerB-3 Figura B.6 Diagrama esquemtico del balastro electrnico....B-4 Figura B.7 Circuito impreso del balastro electrnico..B-5

xvi Diseo y construccin de un Balastro Electrnico alimentado con CD

Lista de tablas Tabla 1.1 Clasificacin de las fuentes luminosas ................................................................... 3 Tabla 1.2 Tipo de tonalidad de luz de las lmparas................................................................ 4 Tabla 1.3 Comparacin de los tipos de lmparas ................................................................... 8 Tabla 1.4 Caractersticas de las lmparas de descarga ......................................................... 13 Tabla 2.1 Comparacin entre los Balastros electrnicos y electromagnticos ..................... 25 Tabla 2.2 Comparativa de las topologas empleadas en balastros electrnicos.................... 32 Tabla 3.1 Valores calculados para la oscilacin del LMC555.............................................. 44 Tabla 3.2 Parmetros para el clculo del Boostrap del IR2110............................................ 45 Tabla 3.3 Datos de entrada.................................................................................................... 50 Tabla 3.4 Parmetros de salida ............................................................................................. 50 Tabla 3.5 Otros parmetros................................................................................................... 50 Tabla 3.6 Ventajas y desventajas del uso de ncleos de ferrita ............................................ 53 Tabla 3.7 Tipo de ncleo a utilizar dependiendo de la potencia........................................... 55 Tabla 4.1 Datos modificados del balastro electrnico. ......................................................... 59 Tabla 4.2 Comparacin de los resultados simulados y experimentales................................ 70 Tabla 4.3 Distorsin armnica total...................................................................................... 70

xviii Diseo y construccin de un Balastro Electrnico alimentado con CD

Simbologa

ACECVC Amplificador Clase E Conmutado a Voltaje Cero C Capacitor C en Temporizador LMC555 C1 Capacitor linealizado C2 Capacitor tanque resonante serie con la lmpara C3 Capacitor tanque resonante paralelo CA Corriente alterna CCC Conmutacin a corriente cero CD Corriente directa CEXT Capacitor externo CO Capacitor resonante Coss Capacitor parasito del DSP CS Capacitor lineal CVC Conmutacin a voltaje cero D Ciclo de trabajo DSP Dispositivo semiconductor de potencia F Frecuencia de conmutacin H Relacin de inductancia (LO/LC) Ilamp Corriente mxima en la lmpara ILc Corriente interruptor LC IRC ndice del rendimiento del color Isw Esfuerzo de corriente en el DSP LC Inductor de choque LO Inductor tanque resonante m Coeficiente de distribucin MOSFET Transistor de Efecto de campo Metal-Oxido-Semiconductor Pent Potencia de entrada Psal Potencia de salida

xx Diseo y construccin de un Balastro Electrnico alimentado con CD

Pspice Programa de simulacin de los circuitos PWM Modulacin por ancho de pulso Q Factor de calidad RA Resistencia RA en timer LMC555 RB Resistencia RB en timer LMC555 RC Resistencia de carga ACE basico Rg Resistencia de compuerta DSP RL Resistencia interna Lmpara fluorescente Ron Resistencia de encendido del mosfet Rp Resistencia parasita Vbi Voltaje integral de la unin VDC Voltaje de alimentacin Vlamp Voltaje mximo en la lmpara Vsw Esfuerzo de voltaje en el DSP Eficiencia (Psal/Pent) Longitud de onda

INTRODUCCIN

En la actualidad, se estima que el 17 % del consumo de energa elctrica en el mundo corresponde al rea de iluminacin artificial [18] . En nuestro pas, las reservas energticas se han degradado considerablemente en los ltimos aos, razn por la cual ha aumentado la preocupacin por el ahorro de energa.

Con la finalidad de cubrir las necesidades planteadas en cuanto a iluminacin se refiere se hace necesaria la explotacin de fuentes de energa alternativa (energa fotovoltaica), as como el control y uso eficiente de los sistemas de iluminacin

Los sistemas de iluminacin fluorescente presentan considerables ventajas con respecto a los sistemas de iluminacin incandescente. Aunque los ltimos tienen un principio de funcionamiento sencillo, presentan el inconveniente de tener bajas eficiencias puesto que gran parte de la energa luminosa es disipada en calor, lo que trae como consecuencia un gran consumo de energa. Con el uso de lmparas fluorescentes se obtienen los siguientes beneficios: menor disipacin de calor, mayor tiempo de vida, mayor eficiencia, etc. Adems son de bajo costo y se consiguen fcilmente. El inconveniente que se presenta, es que no se puede conectar directamente a la lnea de potencia, ya que el voltaje aplicado es insuficiente para encenderla, siendo necesario el uso de un elemento auxiliar llamado balastro (figura 1).

En general, los sistemas de iluminacin con lmparas fluorescentes requieren de un balastro para su correcto funcionamiento. Inicialmente se utilizaron balastros electromagnticos ya que son muy simples, robustos, econmicos y soportan un amplio rango de temperaturas. Sin embargo, son pesados y voluminosos, trabajan a bajas frecuencias de 50 o 60 Hz, a esta frecuencia producen un efecto estroboscpico en la luz (flickering) y no pueden controlar la intensidad luminosa. Para contrarrestar estas deficiencias aparecieron los balastros electrnicos. Los avances logrados con estos dispositivos a la fecha demuestran que los balastros electrnicos tienen enormes ventajas con respectos a los electromagnticos convencionales.

xxii Diseo y construccin de un Balastro Electrnico alimentado con CD

Figura 1 Elementos de un sistema de iluminacin utilizando lmparas fluorescentes

Los balastros electrnicos comerciales basan su principio de funcionamiento en un inversor, cuya estructura puede ser de medio puente, Push-Pull o de puente completo. En estos circuitos se utilizan 2 o 4 transistores y se controlan con tcnicas PWM (Modulacin por ancho de pulso), la frecuencia mxima de operacin en estos balastros no puede ser mayor de 50 kHz [URL4] , ya que hay demasiadas prdidas en los interruptores.

Las tendencias en investigacin en cuanto a balastros electrnicos se refiere se enfocan en buscar estructuras sencillas y trabajar a altas frecuencias de conmutacin, con la finalidad de aumentar la eficiencia, y la densidad de potencia.

Manteniendo dicha tendencia, en esta tesis se plantea el diseo y construccin de un balastro electrnico alimentado con CD, con una frecuencia de conmutacin de 700 kHz. El componente principal es el Amplificador Clase E Conmutado a Voltaje Cero (ACECVC) por su estructura sencilla ya que cuenta con un solo interruptor, y sus altas eficiencias de conversin de potencia.

Para cumplir con el cometido se plantean los siguientes objetivos:

Objetivo general:

Disear y construir un balastro electrnico para encender una lmpara fluorescente de arranque instantneo de 21 Watts, utilizando el ACECVC como inversor, con una frecuencia de conmutacin de 700 kHz.

Objetivos particulares:

Acoplo de impedancias del ACECVC y el tanque resonante. Analizar, seleccionar y disear el tanque resonante. Disear el circuito oscilador-impulsor. Disear los elementos magnticos. Diseo del programa de cmputo.

Luz

Lmpara fluorescente

Balastro

Voltaje de

alimentacin

Introduccin xxiii

Elaborar el circuito impreso del sistema. Pruebas y captura de resultados finales.

Contenido de la tesis

El trabajo de tesis se ha organizado de la siguiente manera:

En el captulo uno se presenta una descripcin de las caractersticas generales de las lmparas elctricas, adems de una comparacin entre las lmparas incandescentes y las de descarga gaseosa, as como una descripcin de las caractersticas y el funcionamiento de la lmpara fluorescente.

En el captulo dos se presenta un estudio de los balastros existentes, as como una descripcin de las caractersticas generales de los inversores que son utilizados en balastros electrnicos, el estudio y seleccin del tanque resonante.

En el captulo tres se presenta el dise del balastro electrnico. Tal diseo comprende: el clculo de la resistencia interna de la lmpara fluorescente; los elementos del circuito oscilador-impulsor, el ACECVC basado en [24] [11] [9] y el tanque resonante, as como el diseo de los inductores con ncleo de ferrita. Todo implementado en un programa de cmputo desarrollado en C++ Builder como herramienta de diseo.

En el captulo cuatro se presentan las simulaciones de los datos obtenidos en el programa de diseo del balastro electrnico utilizando el software PSpice, adems de una comparacin entre los resultados experimentales obtenidos en el laboratorio y las grficas obtenidas.

En el captulo cinco se presentan las conclusiones, observaciones y los trabajos futuros.

xxiv Diseo y construccin de un Balastro Electrnico alimentado con CD

1. Lmparas de descarga En este captulo se proporciona una descripcin general de los tipos de lmparas

existentes en la actualidad. As como las caractersticas, principio de funcionamiento y un estudio del comportamiento elctrico en alta y baja frecuencia de la lmpara fluorescente. 1.1 Introduccin

La electricidad es una fuente de energa indispensable en nuestra vida cotidiana, puesto que con ella se obtiene calor, movimiento y se genera luz. Actualmente una gran cantidad de energa elctrica se destina a los sistemas de iluminacin, esta energa se utiliza para adecuar espacios, decorar y en el alumbrado pblico. Por este motivo, actualmente se buscan estrategias que permitan lograr un uso ms eficiente de la energa elctrica en el sector de la iluminacin.

Una de las soluciones para mejorar los sistemas de iluminacin es el uso de lmparas de descarga, que en comparacin a las lmparas incandescentes, presentan diversas ventajas como son: mayor duracin de la lmpara, menor disipacin de potencia en calor y menor consumo de energa, entre otras.

A continuacin se describen algunas propiedades de la luz, el principio de funcionamiento, ventajas y desventajas de las lmparas elctricas.

2 Diseo y construccin de un Balastro Electrnico alimentado con CD

1.2 Antecedentes 1.2.1 Naturaleza de la luz

La luz es un fenmeno fsico que se manifiesta en forma de energa luminosa y se propaga en forma de ondas electromagnticas, en la figura 1.1 se muestran las caractersticas de las ondas electromagnticas en funcin de las longitudes de onda, debido a esto, las ondas se encuentran en bandas distintas y se identifican con diferentes nombres. En la regin visible se encuentra la forma de radiacin sensible al ojo humano, esta regin aproximadamente abarca entre los 380nm y 770nm [10] .

1.2.2 Clasificacin de las fuentes luminosas Las fuentes luminosas se clasifican de acuerdo al tipo de luz que generan y pueden ser

naturales y artificiales.

Las fuentes luminosas naturales son aquellas que producen radiacin visible por causas naturales, por ejemplo la radiacin proveniente del sol, las estrellas, los rayos y otros, como algunos animales.

Las fuentes luminosas artificiales son creadas por la manipulacin del hombre. En la tabla 1.1 se muestran algunos ejemplos de fuentes luminosas que existen en la

actualidad [18] [URL1] [URL2] .

Figura 1.1 Diagrama del espectro electromagntico

Rayos Gama

Rayos X

Ultravioleta

Infrarrojo

Onda Corta

Banda de emisin AM

Onda larga

Ultra- violeta

Violeta

Azul

Verde

Amarillo

Naranja

Rojo

Infrarrojo

Regin visible

10-4 10

-1 1 10 105 10

10 1015

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Lon

gitu

d de

ond

a (n

m)

Mas L

arga

Capitulo 1 Lmparas de descarga 3

Tabla 1.1 Clasificacin de las fuentes luminosas

Emisin trmica Emisin luminiscente (elctricas)

Emisin luminiscente

(no elctricas) Fuentes luminosas naturales

Sol Rayos

Lucirnaga

Fuentes luminosas artificiales

1.2.3 Clasificacin de las fuentes luminosas de acuerdo a la transformacin de energa Las fuentes luminosas artificiales de la tabla 1.1 tambin se pueden clasificar segn el

tipo de transformacin de energa que utilizan [URL7] :

La termorradiacin se conoce como la radiacin calorfica trmica, la cual depende de la temperatura del cuerpo emisor. A la parte de esta radiacin emitida dentro del espectro visible se le denomina radiacin por incandescencia. Dentro de este grupo se encuentran la luz natural del sol y la luz artificial de las lmparas incandescentes y las incandescentes halgenas.

La luminiscencia es la radiacin emitida por un cuerpo cuyos tomos son excitados por un agente externo. Dependiendo del agente, la luminiscencia se puede clasificar en elctricas y no elctricas:

Lmpara incandescente

Lmpara halgena Lmparas luminiscentes

Lmparas fluorescentes

Lmparas de luz mezcla

Elementos Radiactivos Artificiales


Luminiscencias Elctricas:

Electroluminiscencia: se produce cuando la luz es generada por una corriente elctrica que pasa a travs de ciertos slidos (LEDs).

Fotoluminiscencia: se produce cuando la radiacin es absorbida por un slido y reemitida en una longitud de onda diferente.

Fluorescencia: Conversin de radiacin ultravioleta en visible. Fosforescencia: Fotoluminiscencia retardada, en la que existe

emisin de luz durante cierto tiempo despus que ha cesado la excitacin.

Luminiscencias no elctricas: emisin de luz producida por causas diversas.

Bioluminiscencia por organismos vivientes. Triboluminiscencia friccin de algunos materiales. Radioluminiscencia producida por la accin de los materiales radiactivos. Quimioluminiscencia es causada por reacciones qumicas. Este trabajo se enfoca a la generacin de luz artificial, utilizando para ello una lmpara

que funciona como un convertidor de energa (convierte energa elctrica en radiacin electromagntica visible). Para el diseo del sistema de iluminacin es necesario conocer ciertas caractersticas importantes de la lmpara, as como algunos trminos bsicos y las propiedades cromticas inherentes a las mismas [20] .

1.2.4 Propiedades cromticas de las fuentes luminosas En general se usan dos sistemas para medir las propiedades cromticas de una fuente

luminosa artificial que son [20] : la temperatura del color y el ndice de rendimiento del color (IRC).

1.2.4.1 Temperatura del color El color de la luz de una lmpara artificial se mide por su apariencia cromtica, y est

basada en el siguiente principio: que todos los cuerpos al aumentar su temperatura emiten luz, mientras ms alta es la temperatura, ms azul o fra es la luz; mientras ms baja es la temperatura, ms clida y rojiza es la luz. La escala es una comparacin de la temperatura que se tendra al calentar un cuerpo negro para emitir ese color, en la tabla 1.2 se tienen los diferentes tipos de tonalidades de las lmpara artificiales.

Tabla 1.2 Tipo de tonalidad de luz de las lmparas Temperatura de color

Luz clida 3300K Luz intermedia 3300 a 5000 KLuz de da 5000 K


1.2.4.2 ndice del rendimiento del color (IRC) El ndice de rendimiento del color (IRC) mide la capacidad de luz para reproducir los

colores, de las personas u objetos para que parezcan ms naturales. Est basado en una escala de (0 100), entre mayor sea el IRC mejor ser la calidad de luz para reproducir los colores.

1.2.5 Unidades luminosas No toda la radiacin que emite este tipo de lmpara es luz, por lo que hay ciertas

escalas para su medicin pero en si las que se pueden observar en este proyecto son: el flujo luminoso y la intensidad luminosa. Donde el flujo luminoso es la potencia lumnica en forma de radiacin luminosa y la intensidad luminosa es la potencia que emite la fuente luminosa en cierto ngulo

1.3 Clasificacin de las lmparas elctricas Con respecto a la clasificacin anterior, en la figura 1.2 se muestran los diversos tipos

de lmparas elctricas artificiales [10] [URL1] [URL2] .

Figura 1.2 Clasificacin de las lmparas Elctricas

A continuacin se realiza un estudio general de los tipos de lmparas, el cual incluye su principio de funcionamiento, principales caractersticas y algunas aplicaciones de las mismas.

Incandescente Incandescente halgena

Lmparas Elctricas

Descarga gaseosa Incandescencia

Lmparas de vaporde mercurio

Lmparas de vaporde sodio

Baja presin Alta presin Baja presin Alta presin

Lmparas Fluorescentes

Lmparas de vapor de mercurio

Lmparas de luz de mezcla

Lmparas con halogenuros

metlicos

Lmparas de vapor de sodio a

baja presin

Lmparas de vapor de sodio a

alta presin


1.3.1 Lmparas de incandescencia La lmpara incandescente fue la primera en utilizarse para la generacin de luz y basa

su funcionamiento en el principio de la termorradiacin.

1.3.1.1 Lmpara incandescente convencional El funcionamiento de este tipo de lmpara incandescente es simple, consiste en hacer

pasar una corriente elctrica por un filamento hasta que ste alcance una temperatura elevada que genere luz visible[URL5] . En la figura 1.3 se muestra el principio de funcionamiento de una lmpara incandescente.

Cualquier cuerpo caliente despedir cierta cantidad de luz a temperaturas superiores a los 525 C, por lo que un conductor que se calienta por encima de dicha temperatura mediante una corriente elctrica actuar como fuente luminosa [URL6] .

En la figura 1.4 se muestran la estructura bsica de una lmpara incandescente:

Figura 1.3 Funcionamiento de una lmpara incandescente

Corriente elctrica

Fuente de alimentacin


Figura 1.4 Partes de una lmpara incandescente

Filamento: es un alambre enrollado que por lo general es de wolframio o tungsteno y se calienta alcanzando temperaturas tan elevadas que empieza a emitir luz visible.

Ampolla de vidrio: es lo que determina la forma de la lmpara ya que existen una variedad de ellas, esta ampolla sirve para proteger que el filamento no se queme en contacto con el aire, puede estar al vaco (25W).

Gas de relleno: el gas de relleno es una mezcla de argn y nitrgeno, tambin se utiliza kriptn o Xenn.

Casquillo: sirve para conectar la lmpara a la energa elctrica. Los elementos faltantes (hilos conductores, vstago y el soporte) tienen funciones de

soporte y conduccin de la corriente elctrica.

1.3.1.2 Lmpara incandescente halgena Este tipo de lmparas funcionan bajo el mismo principio que las lmparas

incandescentes convencionales, pero en este caso la ampolla posee un componente halgeno agregado al gas que trabaja como elemento regenerativo, esto hace que este tipo de lmparas sean mejores que las incandescentes convencionales.

En la figura 1.5 se muestran las partes de una lmpara halgena: Ampolla interior: en los extremos de sta hay dos casquillos cermicos que protegen

los contactos de conexin. Ampolla exterior: est formada por una ampolla cilndrica de cuarzo para proteccin. Filamento: en la ampolla interior se encuentra el filamento de tungsteno enrollado en

espiral. Halogenuro: el tipo de halgeno1 que contiene la lmpara en su interior generalmente

es yodo. Gas de relleno: contiene un gas de relleno de nitrgeno-argn en su interior.

1 Halgeno: son elementos que se encuentran en el grupo 17 de la tabla peridica (flor, cloro, bromo ,yodo y astato)

Filamento

Gas de relleno

Hilos Conductores

Ampolla

Alambre de Soporte

Vstago

Casquillo


Figura 1.5 Lmpara incandescente halgena

1.3.1.3 Caractersticas de las lmparas de incandescencia Estas lmparas tienen numerosas ventajas, debido a sus caractersticas cromticas las

cuales presentan un buen ndice del color (IRC), emiten radiaciones en un espectro continuo, tiene una variacin amplia de la intensidad luminosa, no necesitan equipos auxiliares, su encendido es instantneo, son sencillas y econmicas.

La principal desventaja que presentan es que son muy ineficientes, ya que solo el 5 % [URL24] de la energa que consumen es luz y lo dems se disipa en calor. En la tabla 1.3 se muestran sus caractersticas de duracin y principales aplicaciones.

Tabla 1.3 Comparacin de los tipos de lmparas Lmparas incandescentes Caracterstica de duracin Aplicacin

Convencionales

La vida de la lmpara depende de la duracin del filamento.

Vida media de 1000 a 2000 hrs.

especialmente en el hogar

Halgenas

Vida media de 2000 a 5000 hrs.

Interiores de vivienda Comercios Vitrinas

1.3.2 Lmparas de descarga gaseosa Las lmparas de descarga constituyen una forma alternativa de generar luz, y su

principio de funcionamiento se basa en la luminiscencia. Al someter cualquier gas ionizado y confinado en un tubo de descarga, a un voltaje elevado entre los electrodos, produce un flujo de iones negativos y positivos, a este flujo se le denomina descarga elctrica (figura 1.6) [URL18] .

Figura 1.6 Descarga elctrica

Ampolla exterior

Filamento de tungstenoCasquillo

Vapor yodoAmpolla interna

Electrodo

_ +

Electrn Ion positivo

Corriente


A diferencia de las lmparas incandescentes, la emisin de luz que produce la lmpara de descarga tiene un espectro discontinuo, es decir, presenta bandas de colores. Dependiendo del gas dentro de la lmpara y la presin a la que est sometido, se tendrn los diferentes tipos de lmparas que hay en la actualidad, cada una de ellas con sus propias caractersticas luminosas. Este tipo de lmparas requieren de un tiempo de encendido para alcanzar las condiciones adecuadas de funcionamiento y necesitan de un elemento externo llamado balastro para su correcto funcionamiento[10] [URL12] [URL13] [URL19] .

1.3.2.1 Lmparas de vapor de mercurio En este tipo de lmparas se encuentran las lmparas de vapor de mercurio de baja

presin (lmparas fluorescentes) y las lmparas de mercurio de alta presin (lmparas de vapor de mercurio a alta presin, lmparas de luz de mezcla, lmparas con halogenuros metlicos).

1.3.2.1.1 Lmparas de vapor de mercurio a baja presin Son las lmparas fluorescentes convencionales y se dividen en lmparas de arranque

instantneo (una terminal en cada extremo) o de arranque rpido (dos terminales en cada extremo) las cuales tienen diferentes tamaos y formas (figura 1.7) [URL9] . En el apartado 1.4 se har un estudio ms minucioso de este tipo de lmparas.

1.3.2.1.2 Lmparas de vapor de mercurio a alta presin En este tipo de lmparas se clasifican de la siguiente manera:

Lmparas de vapor de mercurio a alta presin: se conocen simplemente como de vapor de mercurio, el funcionamiento de estas lmparas se basa en el mismo principio que el de las lmparas fluorescentes. As como una lmpara fluorescente de descarga en mercurio a baja presin genera exclusivamente radiaciones ultravioleta con altas presiones de vapor, el espectro cambia notablemente, emitiendo varias bandas que corresponden a los colores: violeta (405 nm), azul (435 nm), verde (546 nm) y amarillo (570 nm), emitiendo tambin una pequea cantidad de radiaciones ultravioleta.

Como las cualidades cromticas de estas radiaciones no resultan muy buenas, debido en gran parte a la ausencia de radiaciones rojas, las radiaciones ultravioleta se transforman, mediante sustancias fluorescentes, en radiaciones comprendidas dentro del espectro rojo, dando como resultado una lmpara con un mejor rendimiento cromtico. En la Figura 1.8 se muestra como est construida la lmpara.

Figura 1.7 Formas de lmparas fluorescentes


Estas lmparas estn constituidas por una pequea ampolla de cuarzo, provista de dos electrodos principales y uno o dos auxiliares, en cuyo interior se encuentra una cierta cantidad de argn y unas gotas de mercurio. Todo dentro de una ampolla exterior que sirve de proteccin.

Lmparas de luz de mezcla: se deriva de la lmpara de mercurio de alta presin. La diferencia principal entre estas dos es que, la ltima depende de un balastro externo para estabilizar la corriente de la lmpara, y la lmpara mezcladora posee un balastro incorporado en forma de filamento de tungsteno colocado en su interior.

El espectro de la radiacin emitida por esta lmpara es el resultado de la combinacin o la mezcla del espectro tpico de la lmpara de vapor de mercurio, y el espectro de una lmpara de incandescencia rica en radicaciones rojas. En la figura 1.9 se muestra su estructura interna de este tipo de lmpara.

Lmparas con halogenuros metlicos: esta lmpara presenta caractersticas fsicas similares a las de vapor de mercurio, la diferencia es que adems de mercurio, contienen halogenuros de tierras raras (disprosio, talio, indio, holmio o tulio) obteniendo mayores rendimientos luminosos y sobre todo una mejor reproduccin cromtica. En la figura 1.10 se muestra como est construida este tipo de lmpara.

El tubo de descarga es de cuarzo con un electrodo de wolframio en cada extremo, recubierto de un material emisor de electrones. La ampolla exterior es de vidrio duro, sirve para el equilibrio trmico del tubo de descarga y para su aislamiento.

Dado que estas lmparas no emiten radiaciones ultravioleta, eliminan la necesidad de la capa fluorescente, por lo que se suelen construir en ampollas cilndricas y transparentes.

Figura 1.8 Lmpara de vapor de mercurio a alta presin

Electrodo principal

Electrodo auxiliar

Ampolla de cuarzo

Ampolla exterior

Casquillo


Figura 1.9 Lmpara de mezcla

Figura 1.10 Lmpara de halogenuros metlicos

1.3.2.2 Lmparas de vapor de sodio En este tipo de lmparas se clasifican en lmparas de vapor de sodio de baja presin y

alta presin

1.3.2.2.1 Lmparas de vapor de sodio de baja presin Lmparas de vapor de sodio a baja presin: como se muestra en la figura 1.11 estn

formadas por dos ampollas de vidrio tubulares. La ampolla interna o tubo de descarga tiene forma de U y en su interior se encuentra una pequea cantidad de gas nen a baja presin y sodio puro en forma de gotas, cuando est fro; asimismo, en los extremos del tubo de descarga se encuentran dos electrodos de filamento de wolframio.

Figura 1.11 Lmpara de vapor de sodio a baja presin

Ampolla exterior

Tubo de descarga

Cavidad condensacin del sodio

Filamentos de wolframio

Ampolla exterior

Electrodo de wolframio

Casquillo

Filamento tungsteno

Casquillo Ampolla exterior

Tubo de cuarzo


Al aplicar tensin entre los electrodos, se produce la descarga a travs del gas nen, la cual determina la emisin de una luz roja caracterstica de este gas. El calor generado por la descarga produce la vaporizacin progresiva del sodio y, como consecuencia, produce una luz de color amarilla monocromtica en una longitud de onda de 589 nm.

1.3.2.2.2 Lmpara de vapor de sodio de alta presin Lmpara de vapor de sodio a alta presin: es bsicamente una lmpara de sodio de

baja presin, con la diferencia que se aumenta la presin del sodio en el interior de la lmpara y trabaja a altas temperaturas, adems tiene un gas xenn con una pequea cantidad de mercurio para mejorar el espectro. La figura 1.12 muestra las partes de este tipo de lmparas.

El tubo de descarga se aloja en el interior de una ampolla exterior, la cual es resistente a la intemperie, sirve de proteccin, aislamiento elctrico y trmico. La despreciable cantidad de radiaciones ultravioleta que generan estas lmparas hace innecesario el empleo de material fluorescente, por lo que esta ampolla es totalmente transparente.

Figura 1.12 Lmpara de vapor de sodio a alta presin

Ampolla exteriorCasquillo Electrodos

Tubo de descarga


1.3.2.2.3 Caractersticas de las lmparas de descarga En la tabla 1.4 se muestran las principales aplicaciones, el tiempo de vida y algunos

factores que afectan el correcto funcionamiento de las lmparas de descarga.

Tabla 1.4 Caractersticas de las lmparas de descarga

1.4 Lmpara fluorescente La lmpara fluorescente es un dispositivo de descarga elctrica empleado para

aplicaciones generales de iluminacin. Se trata de una lmpara de vapor de mercurio de baja presin contenida en un tubo de vidrio, revestido en su interior con un material fluorescente [URL10] .

Lmparas de descarga Caractersticas de duracin Aplicaciones

Lmparas vapor de mercurio de baja presin (lmparas fluorescentes)

La vida de la lmpara depende de la calidad de los electrodos.

La vida de la lmpara termina cuando la sustancia emisiva de los ctodos desaparece.

Vida media 8,000 hrs.

Interiores Industria Fines decorativos Escuelas Oficinas

Lmparas de vapor de mercurio de alta presin

Mismo principio que las lmparas fluorescente

Vida media entre 12,000 y 16000 hrs.

Alumbrados de calles

reas deportivas Filmaciones y

transmisin por TV

Plazas Estacionamientos Parques

Lmparas de vapor de sodio de baja presin

Vida media de 10,000 hrs. Alumbrado pblico de puentes

Cruces ferroviarios

Lmparas de vapor de sodio de alta presin

Vida media de 20,000 a 24,000 hrs. Iluminacin pblica

Estacionamientos Grandes reas Fachadas Parques Depsitos

industriales.


1.4.1 Partes de una lmpara fluorescente En la figura 1.13 se muestra las partes de una lmpara fluorescente:

Tubo de descarga: es un tubo de dimetro normalizado, tpicamente la forma es un cilndrico cerrado, sin embargo existen otras formas como las circulares, en U o compactas.

Casquillos: se localizan en cada extremo de la lmpara, tiene uno o dos terminales dependiendo del tipo de lmpara si es de arranque instantneo o rpido.

Electrodos: son fabricados en tungsteno, normalmente en doble espiral y recubiertos por sustancias emisivas. La calidad de estos determina la duracin de la lmpara, puesto que cuando uno de los electrodos pierde esta sustancia, la lmpara no consigue encenderse.

Gas de llenado: el tubo de descarga est relleno con vapor de mercurio a baja presin y una pequea cantidad de un gas inerte que sirve para facilitar el encendido y controlar la descarga de electrones. Las funciones que realiza el gas de llenado son las siguientes:

Facilitar el inicio de la descarga, por reduccin de la tensin de encendido. Facilitar el recorrido de los electrones. Proteger la sustancia emisiva de los electrodos. Los gases comnmente empleados son: argn o mezcla de argn-nen y

kriptn.

Recubrimiento fluorescente: En la actualidad se usan dos tipos de polvos: los que producen un espectro continuo y los trifsforos que emiten un espectro de tres bandas con los colores primarios. De la combinacin estos tres colores se obtienen una luz blanca que ofrece un buen IRC.

Figura 1.13 Partes que constituyen una lmpara fluorescente

Casquillo Recubrimiento fluorescente

Puntas de lmpara

Electrodo Vapor de mercurio y gas inerte

Tubo de descarga


1.4.2 Principio de funcionamiento El tubo fluorescente es en un tubo de vidrio al vaci, el cual contiene una pequea

cantidad de mercurio y un gas inerte (habitualmente argn) a baja presin, esta mezcla de gases en el tubo tiene una elevada resistencia al paso de la corriente elctrica.

Como se observa en la figura 1.14 en cada extremo del tubo debe haber uno o dos electrodos, formados por un filamento de tungsteno recubierto de una sustancia emisiva, que emite electrones con facilidad, al aplicarle una diferencia de potencial elevada o un precalentamiento entre ellos, cuando el gas est en un estado altamente ionizado conduce corriente elctrica con facilidad, esto quiere decir que estas descargas provocan un flujo de electrones que atraviesan el gas, al chocar los electrones con las capas externas de los tomos de mercurio les transmiten parte de su energa, al hacerlo liberan energa en forma de radiacin ultravioleta2 [URL8] [URL18] .

La consecuencia de esto, es que la energa electromagntica emitida por la lmpara no es blanca y puede ser nociva para la salud. Para que estas radiaciones sean tiles, la superficie interna del tubo est cubierta de un material fluorescente (usualmente fsforo), que absorbe la luz ultravioleta y la transforman en luz visible.

1.4.2.1 Estado de la descarga en los gases En la figura 1.15 se muestra el proceso de encendido de las lmpara de arranque

instantneo, donde los gases se transforman de un material no conductor a conductor, mediante la aplicacin de un alto voltaje elctrico [URL20] [URL21] [URL22] [URL23] .

En la misma grfica se puede observar el comportamiento de la lmpara como una resistencia negativa, es decir, cuando se incrementa, la corriente en el interior del tubo, menor es la resistencia. Si no se controla, puede ocasionar la destruccin de la lmpara. Por tal motivo, las lmparas fluorescentes necesitan la presencia de un elemento auxiliar para limitar la corriente que est circula por ella y proporciona el voltaje de encendido.

Figura 1.14 Funcionamiento lmpara fluorescente

2 Radiacin ultravioleta (UV con una de 253.7 nm)

Radiacin ultravioleta Radiacin Visible (luz)

Polvo fluorescente tomo de mercurio Electrones Electrodo


Figura 1.15 Ruptura de descarga en los gases

A continuacin se describe cada una de las etapas del proceso de ruptura de los gases.

En la etapa I, conocida como la etapa de Geiger, aparece una pequea corriente a medida que el voltaje se incrementa.

En la etapa II, conocida como la etapa de Towsend, se mantiene el voltaje pero hay un incremento de la corriente, sin embargo la ionizacin es tan pequea que no se observa emisin de luz en el punto de ruptura de la descarga, la cual se vuelve autosostenida. La corriente sigue aumentando cada vez ms disminuyendo la resistencia interna hasta el punto de ruptura del voltaje.

En la etapa III, conocida como cada catdica, los iones bombardean a los electrodos con tal intensidad que son capaces de desprender electrones manifestndose como una cada de voltaje, y es donde se observan las primeras emisiones luminosas.

En la etapa IV, conocida como descarga de Glow normal, comienza la descarga luminosa, y el rea de descarga se va ensanchando hasta cubrir todo el ctodo.

En la etapa V, conocida como descarga de Glow anormal, el gas llega a su mxima ionizacin, es decir que cuando no queda ya ms rea disponible en el ctodo, la corriente se incrementa a expensas de un aumento de la tensin hasta el punto E.

En la etapa VI, conocida como la regin de la descarga del arco, es donde el ctodo est caliente y comienza la emisin termoinica y la tensin cae nuevamente.

1.4.2.2 Tiempo de mxima emisin luminosa de la lmpara fluorescente En la figura 1.16 se muestra la grfica del tiempo en que la lmpara fluorescente llega

a su mxima emisin lumnica.

I II III IV V

VI

A B

C D

EV

500V

10-15 10-10 10-5 100 102

Vol

taje

(V)

Corriente (A)

Ruptura de corriente

Ruptura de voltaje


Figura 1.16 Tiempo de encendido de la lmpara fluorescente

Segn [URL18] el tiempo que la lmpara fluorescente tarda para entregar su mximo flujo luminoso es aproximadamente de 10 y 12 minutos.

1.4.3 Tipos de encendidos de las lmparas fluorescentes En general solo existen 2 tipos de estas lmparas:

Lmparas de arranque rpido: como se muestra en la figura 1.17, estas lmparas se caracterizan por tener dos terminales en cada extremo. En una de estas terminales, la lmpara tiene una resistencia que funge como electrodo. Al calentarse esta resistencia por efecto Joule experimenta el fenmeno de emisin termoinica y empieza a emitir electrones que ionizan el gas de relleno de la lmpara facilitando su encendido. Existen dos formas de encender estas lmparas de arranque rpido: el arranque con cebador que se utiliza para calentar los electrodos antes de someterlos a la tensin de arranque, y la otra forma es que simultneamente se le suministra el voltaje de arranque y se calientan los electrodos. En ambos casos se necesita hacer eso para encender la lmpara

Lmparas de arranque instantneo: como se muestra en la figura 1.18 este tipo de lmparas se caracterizan por tener una terminal en cada extremo ya que los electrodos no necesitan precalentamiento para iniciar la emisin de electrones. El arranque se realiza en fro es decir aplicando solamente una tensin suficientemente elevada en los extremos de el tubo fluorescente para encender la lmpara, ya que esta posee electrodos cuyos filamentos estn especialmente preparados para un calentamiento continuo.

0 5 10 15 20

Fluj

o lu

min

oso

%

100 50

Minutos


Figura 1.17 Lmpara de arranque rpido

Figura 1.18 Lmpara de arranque instantneo

1.4.4 Efecto de la frecuencia en las lmparas fluorescentes Las lmparas fluorescentes se pueden alimentar por balastros electrnicos o por

balastros electromagnticos, estos ltimos presentan desventajas fsicas adems de operar a una frecuencia de lnea, 50 o 60 Hz, lo que provoca: el efecto estroboscpico, el desgaste de los electrodos, poca duracin de la lmpara y un bajo factor de potencia.

En la actualidad, la tendencia de sustituir los balastros electromagnticos por electrnicos ha ido en aumento, gracias a las ventajas que stos presentan, al operar a mayores frecuencias de conmutacin. A continuacin se describe brevemente la operacin de la lmpara fluorescente en baja y alta frecuencia [18] .

1.4.4.1 Operacin en baja frecuencia Durante la operacin de una lmpara en baja frecuencia, al ser alterna la tensin de

alimentacin, la corriente tambin es alterna, lo que significa que cada medio ciclo se presenta un cruce por cero y por tanto, el valor de la corriente en este punto es cero. Como la frecuencia es baja (50 o 60 Hz), la transicin de positivo a negativo de la corriente de la descarga es lenta,

Emisin de electrones

2 terminales en c/extremo

Electrodo principal

Electrodo auxiliar

1 terminal en c/extremo

Electrodo principal

Emisin de electrones


(a) Voltaje (b) Corriente

Figura 1.19 Forma de onda en baja frecuencia

el plasma3 dentro de la lmpara se enfra y el arco se extingue, lo que provoca que en cada cruce por cero el arco se extinga y se reinicie hasta que el voltaje aumente lo suficiente para que vuelva a ocurrir la descarga. Las formas de onda de la corriente de descarga y de la tensin en baja frecuencia son similares a las que se presentan en la figura 1.19.

Como se puede apreciar en la figura 1.19, los resultados de la operacin en baja frecuencia son formas de onda de corriente y voltaje distorsionadas. Los reencendidos cada medio ciclo hacen que la lmpara parpadee, ocasionando que se presente el efecto estroboscpico en la luz emitida por la lmpara, adems de que estas seales provoca un mayor desgaste de los electrodos y en consecuencia una disminucin en la vida til de la lmpara.

1.4.4.2 Operacin en alta frecuencia A medida que se aumenta la frecuencia de la tensin de alimentacin, el plasma y los

electrodos no se alcanzan a enfriar, por lo que la emisin de electrones es constante y la descarga permanece de manera continua sin cambios bruscos. Dado que el plasma se comporta como un conductor cuando est caliente, y si permanece constantemente caliente, se comporta como una resistencia segn se puede ver en la figura 1.20. Estos efectos se presentan en frecuencias superiores a los 25 kHz.

Dentro de las principales ventajas del funcionamiento en alta frecuencia se encuentran las siguientes [18] :

Se eliminan los picos de voltaje debidos a los reencendidos: la eliminacin de estos picos de voltaje se refleja en una disminucin aparente de la tensin de encendido como se muestra en la figura 1.20. Otra consecuencia de la eliminacin de los

3 El plasma es un gas ionizado, es decir que es una especie de gas donde los tomos o molculas que lo componen han perdido parte de sus electrones o todos ellos. As, el plasma es un estado parecido al gas, pero compuesto por electrones, cationes (iones con carga positiva) y neutrones.

V

t

A

t

Reencendido

Descarga del arco

Extincin del arco

No hay descarga

Descarga


reencendidos es que, en cada reencendido, se pierde una gran cantidad de la sustancia emisiva que tienen los electrodos para la emisin termoinica, y al eliminar tales reencendidos se pierde menos sustancia emisiva aumentando la vida media de la lmpara fluorescente.

Comportamiento resistivo: el hecho de que la lmpara se comporte como una resistencia significa que las formas de onda de voltaje y corriente son completamente sinusoidales. Esto significa que se tendr menor distorsin armnica, lo cual se refleja en un factor de potencia cercano a la unidad. Tambin se tiene un ligero aumento en el valor eficaz de la corriente, lo cual se refleja en una mayor luminosidad, aumentado la eficiencia luminosa hasta en un 10%.

Eliminacin del efecto estroboscpico: como se mencion anteriormente, en baja frecuencia, por cada cruce por cero de la tensin de alimentacin el arco se extingue. Esto ocasiona que la lmpara se encienda y se apague. Este parpadeo de la lmpara es ligeramente perceptible por el ojo humano y en ciertos ambientes puede resultar muy molesto. En alta frecuencia este problema se elimina debido a que no hay reencendidos y en consecuencia la lmpara siempre permanece encendida.

(a) Voltaje (b) Corriente Figura 1.20 Formas de onda a medida que aumenta la frecuencia

V A

t t

Alta frecuencia

Alta frecuencia

Baja frecuencia

Baja frecuencia

2. Balastros Las lmpara fluorescente presentan ventajas que hacen viable su uso con respecto a las

lmparas incandescentes, aunque todas las caractersticas de este tipo de lmparas son importantes, el elemento imprescindible para el funcionamiento del sistema de iluminacin es el balastro. En este captulo se presenta una descripcin de los tipos de balastro para las lmparas fluorescentes, la funcin que desempean, as como la comparacin de los balastros electromagnticos y electrnicos, haciendo nfasis en estos ltimos, adems de las diferentes configuraciones de los principales tipos de convertidores CD-CA (inversores) y la configuracin de tanque resonante y sus respectivas ventajas.

2.1 Introduccin Los balastros son parte fundamental de las lmparas de descarga gaseosa, dentro de sus

funciones se encuentran: generar el voltaje de encendido de la lmpara, limitar la corriente de la misma y estabilizar la descarga en el interior del tubo. Asimismo es importante mencionar que ambos equipos son complementarios es decir, la lmpara no funcionaria sin el balastro y el balastro no tiene razn de ser sin la lmpara de descarga como se muestra en la figura 2.1 [URL18] .

Figura 2.1 Balastro de una lmpara de descarga

Balastro

Lmpara fluorescente


Los balastros consisten de una reactancia formada por una bobina de tipo inductivo, que satisfacen los requisitos de funcionamiento aunque de forma poco eficiente desde el punto de vista energtico.

Las investigaciones realizadas en este campo permitieron averiguar que al incrementar la frecuencia de operacin en el tubo de descarga, aumenta su eficacia luminosa (ms cantidad de luz aportada por cada unidad de potencia elctrica), y as surgieron los balastos electrnicos los cuales presentan las siguientes caractersticas [18] :

Disminucin del voltaje de encendido de la lmpara. Reduccin de los componentes del balastro. La lmpara se comporta como una resistencia. Se elimina el efecto estroboscpico. Se tiene una mayor duracin de la lmpara.

2.2 Balastros para lmparas de descarga El balastro es un elemento imprescindible para la operacin correcta de una lmpara de

descarga, este elemento auxiliar cumple con las siguientes funciones para evitar la destruccin de la lmpara:

Proveer una cantidad controlada de energa para el arranque o precalentamiento de los electrodos de la lmpara.

Suministrar la tensin y corriente controlada tanto para iniciar el arco entre los electrodos de la lmpara, como para su funcionamiento.

Controlar y limitar la energa elctrica en los valores adecuados. 2.2.1 Clasificacin de los balastros

En general, los balastros para lmparas fluorescente se pueden dividir en dos grupos: los balastros electromagnticos y los balastros electrnicos cada uno tiene sus propias caractersticas y funciones. Estos ltimos han tenido gran importancia debido al mejor aprovechamiento de la energa que consumen y por el manejo apropiado de la lmpara fluorescente.

2.2.1.1 Balastro electromagntico Los balastros electromagnticos son dispositivos que se alimentan con corriente alterna

y por consiguiente operan a frecuencia de lnea, 50 60Hz, esto hace que el dispositivo genere un ligero zumbido audible y al momento de estar encendida la lmpara produce el efecto estroboscpico, que es el parpadeo de la emisin luminosa a dicha frecuencia de lnea.

2.2.1.1.1 Tipos de balastros electromagnticos para lmparas fluorescentes En la figura 2.2, se muestran las distintas formas de balastros electromagnticos para

encender las lmparas fluorescentes [10] y se clasifican en: arranque por cebador figura 2.2(a),

Capitulo 2. Balastros 23

y arranque por autotrasfomador para encendido instantneo en la figura 2.2(b) y para encendido con precalentamiento de electrodos en la figura 2.2(c).

2.2.1.1.2 Partes de un balastro electromagntico Los balastros de la figura 2.2 estn formados por una bobina de hilo de cobre

esmaltado con su correspondiente ncleo magntico, el conductor esta impregnado con resinas al vaco, con esto se consigue un aumento de la rigidez dielctrica de la bobina, adems de una mejor disipacin del calor y una total eliminacin de las posibles vibraciones del ncleo magntico, todo este conjunto se introduce dentro de un contenedor metlico como se muestra en la figura 2.3.

Figura 2.2 Tipos de balastros para lmparas fluorescentes

Figura 2.3 Contenedor metlico del balastro

Cebador

Lmpara Fluorescente

Lmpara Fluorescente

Lmpara Fluorescente

a) Balastro utilizando cebador

b) Balastro de arranque instantneo

c) Balastro de arranque rpido con precalentamiento

de los electrodos

Lnea

Lnea

Lnea


Figura 2.4 Construccin interna de un cebador

En el caso del encendido por cebador, aparte de la bobina tiene un elemento extra (figura 2.4) que consiste en una pequea ampolla de vidrio llena de gas argn a baja presin, y en cuyo interior se encuentran dos electrodos; uno de ellos tiene una laminilla metlica (con un coeficiente de dilatacin) que, por la accin del calor se puede doblar ligeramente, lo cual ayuda a generar un pico de voltaje necesario para encender la lmpara de descarga, esto lo hace repetidamente hasta que se encienda por completo. En paralelo con los electrodos se encuentra un capacitor cuya finalidad es la de evitar las interferencias en las bandas de radiodifusin o TV, que el interruptor automtico pueda ocasionar.

2.2.1.2 Balastro electrnico Los balastros electrnicos para lmparas fluorescentes se pueden alimentar de dos

formas:

Alimentado con corriente alterna (CA): comercialmente esta estructura es la ms utilizada, se conectan directamente a la lnea elctrica, por lo que estos sistemas tienen una etapa de rectificacin, filtrado y correccin del factor de potencia, su estructura interna se muestra en la figura 2.5 [15] .

Alimentado con corriente directa (CD): en la actualidad estos sistemas tienen gran aplicacin, puesto que son alimentados con energas alternativas, como la solar, considerada como fuente inagotable de electricidad. Estos sistemas son muy utilizados en casas de campo, zonas rurales alejadas de la lnea de distribucin o zonas de acceso remoto. En la figura 2.6 se presenta el esquema tpico de un balastro electrnico alimentado con corriente directa.

Figura 2.5 Partes de un balastro electrnico convencional

Filtros EMI

y Rectificaci

n

Correccin del factor

de potencia (CD-CD)

Inversor de

alta frecuencia

Tanque

Resonante

Circuito de control Seccin A Seccin B

Lnea de CA

Lmpara fluorescente

Electrodo fijo

Lmina bimetlica


Figura 2.6 Diagrama a bloques de un Balastro Electrnico.

Un aspecto importante en la construccin de un balastro electrnico es el aumento de la frecuencia de conmutacin. Esto trae como consecuencia altas eficiencias de funcionamiento, reduccin en el tamao y peso de los elementos pasivos del circuito, dando lugar a topologas con estructura simple y altas densidades de potencia. Asimismo se incrementa la eficiencia y la vida til del tubo fluorescente, dando lugar a sistemas de iluminacin con mejores prestaciones que contribuyan al ahorro de energa. Ahora bien, las causas que pueden acotar el crecimiento de la frecuencia de conmutacin son las prdidas en conmutacin que tienen los elementos semiconductores de potencia (MOSFETS, IGBT, diodos rpidos).

2.2.1.3 Comparacin entre los balastros En la tabla 2.1 se muestra una comparacin de las caractersticas entre los balastros

electromagnticos y electrnicos.

Tabla 2.1 Comparacin entre los Balastros electrnicos y electromagnticos

Balastros Electromagnticos Balastros electrnicos 1. Se alimentan con CA 2. Pueden ser de alto o bajo factor de

potencia (capacitores) 3. No permiten un control de intensidad

luminosa 4. Operan a baja frecuencia (50 o 60 Hz) 5. Son pesados y voluminosos 6. Producen ruido audible (zumban) 7. No regulan las variaciones del voltaje de

alimentacin 8. Son econmicos

1. En general, se alimentan con CD 2. Pueden ser de alto o bajo factor de potencia (activos, pasivos o hbridos) 3. Permiten el control de intensidad luminosa. 4. Trabajan en alta frecuencia (>25 kHz.) 5. Son ms ligeros y ocupan menos espacio 6. Pueden regular la intensidad luminosa ante variaciones de la tensin de alimentacin por envejecimiento o variaciones de temperatura 7. Generalmente son ms costosos que los electromagnticos

Inversor de

alta frecuencia

Tanque

Resonante

Circuito control Seccin B

Lmpara fluorescente

Lnea de CD


2.3 Inversor resonante Para alimentar una lmpara fluorescente por medio de un balastro electrnico se emplea

un inversor resonante (figura 2.7) [16] , el cual esta formado por un inversor de alta frecuencia y un tanque resonante. En general un inversor se conoce como un convertidor de CD a CA, es decir que la funcin de un inversor es cambiar un voltaje de entrada CD a un voltaje simtrico de salida de CA, con la magnitud y frecuencia deseada [22] .

El inversor tiene conectado un tanque resonante, el cual proporciona los niveles de voltaje y corriente adecuados para que la lmpara funcione correctamente. Las altas frecuencias de funcionamiento generan prdidas de conmutacin en los dispositivos de potencia.

En general las prdidas que se generan en los dispositivos semiconductores de potencia dependen del tipo de conmutacin [9] :

Conmutacin dura: en este tipo de conmutacin se presenta al mismo tiempo un traslape de corriente y voltaje durante los transitorios de encendido y apagado. Por lo tanto, la conmutacin dura de un dispositivo semiconductor de potencia se puede presentar tanto en la fase de encendido, como en la fase de apagado.

Conmutacin suave: este tipo de conmutacin se divide en comulacin a voltaje cero y conmutacin a corriente cero. Con la conmutacin a voltaje cero se pretende que los DSEP se enciendan ante condiciones de voltaje cero (CVC), es decir que el voltaje sea cero justamente antes del encendido del dispositivo, tambin se reducen las prdidas en el apagado gracias a la suave cada del voltaje. Por su parte la conmutacin a corriente cero (CCC) no genera prdidas en el apagado, forzando a que la corriente en el interruptor sea cero antes de que el voltaje empiece a subir. Con estas condiciones se reducen significativamente las prdidas por conmutacin en los dispositivos de potencia,

En la figura 2.8 se muestra un comparativo entre las prdidas que se generan con la conmutacin suave y dura. Con esta ltima conmutacin se genera mayor cantidad de prdidas, mientras que con la conmutacin suave se reducen significativamente.

Existen varios tipos de inversores y circuitos tanque resonante que se emplean de acuerdo a las necesidades a utilizar.

Figura 2.7 Etapas de un inversor resonante

Inversor de

alta frecuencia

Tanque

Resonante Lmpara

Inversor resonante

DC


Figura 2.8 Comparativo de las prdidas generadas por la conmutacin dura y suave

2.3.1 Topologas bsicas de inversores Los criterios empleados para la clasificacin de los inversores, utilizados en los

balastros electrnicos para encender las lmparas de descarga dependen de tres factores principalmente [22] [16] :

Seal de entrada: En funcin de las caractersticas de la seal de entrada los inversores se clasifican en: alimentados en tensin o alimentados en corriente. Si la fuente de entrada tiene un comportamiento equivalente al de una fuente de tensin ideal se dice que el inversor est alimentado en tensin. En cambio si la fuente de entrada se puede aproximar mediante una fuente de corriente se dice que el inversor est alimentado en corriente. Las caractersticas elctricas y la configuracin entre estos dos tipos de inversores varan notablemente.

Seal de salida: pueden ser monofsicos o trifsicos. En general la clase de inversores utilizados en balastros electrnicos son monofsicos y la seal que se le aplica a la lmpara debe ser alterna y peridica. La topologa del inversor depende de las dos clasificaciones anteriores,

Potencia en la carga: Pus-Pull, Medio puente, Puente completo, Amplificador Clase D y Amplificador clase E.

En los siguientes apartados se describe el funcionamiento de las cinco topologas bsicas de inversores.

V

I

V

I

P P

t

t

t

t

t

t

Conmutacin dura Conmutacin suave


2.3.1.1 Inversor Push-Pull El inversor Push-pull en una topologa alimentada en tensin (figura 2.9), que emplea

dos interruptores y un transformador que tiene una relacin unitaria. Estos interruptores se hacen conmutar empleando seales de compuerta complementarias. De este modo, con S1 cerrado, se aplica una tensin en el semidevanado inferior del primario del transformador que induce una tensin de salida positiva VAB. Cuando se abre S1 y se cierra S2 la situacin se invierte, quedando aplicada tensin en el semidevanado superior que induce una tensin de salida negativa. Mientras S2 permanece cerrada el transistor S1 soporta el doble de la tensin de entrada E debido a que se suman las tensiones de los dos semidevanados de primario.

Las caractersticas de un inversor en push-pull se pueden resumir en los siguientes puntos:

La seal de salida: la seal de salida de un inversor push-pull es una seal cuadrada. La amplitud de salida no es controlable: la tensin de salida es proporcional a la

tensin de alimentacin.

Frecuencia de salida variable. La tensin mxima que soportan los interruptores es el doble de la tensin de

alimentacin.

Las seales de compuerta de ambos interruptores estn referenciadas a un mismo punto. Esta caracterstica simplifica la implementacin del circuito de oscilador.

La seal que se le aplica al tanque resonante es una seal bipolar, y el voltaje mximo aplicado a la carga es igual al de la entrada, la ventaja que presenta es que los dos interruptores estn aterrizados y en este caso que el tra

Documents

9555