Asignatura:
“SISTEMAS ELECTRÓNICOS
PARA ILUMINACIÓN”
Universidad de Oviedo - Tecnología Electrónica
CONVERTIDORES PARA ILUMINACIÓN:
INVERSORES NO RESONANTES PARA LA ALIMENTACIÓN
DE LÁMPARAS DE DESCARGA
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
ÍndiceÍndice
1.- Introducción: planteamiento
2.- Aspectos de las lámparas a considerar en el diseño
- Cebado
- Calentamiento
- Régimen permanente
3.- Circuitos de alimentación: soluciones no resonantes
4.- Inversores de un interruptor
5.- Normalización y proceso de diseño de inversores tipo I
6.- Aplicación práctica: ejemplo de diseño
7.- Aplicación práctica: ejemplos de resultados:
comparación entre simulación y resultados experimentales
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Planteamiento básicoPlanteamiento
Fuente
(Batería o
BUS DC)
Lámpara
fluorescente
Caracterización de
la fuente primaria
Caracterización
de la lámparaEspecificaciones
del balasto
CIRCUITO
DE
BALASTO
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Fuentes primarias típicas: baterías
Curva de descarga típica
de una batería de Ni-Cd
Tensión en la
batería
Tiempo
• La tensión es casi constante
• Zonas I y III (Inicio- Fin de la
descarga):
Variación máxima:+/- 15%
• Zona II (Zona de trabajo típica):
Variación de +/- 5%
• Zona IV (Descarga profunda):
No permitida
Principales características
Conclusión: típica variacion a considerar de un +/-10%
ZONA I ZONA III
ZONA II
ZONA IV
110%
90%
100%
Planteamiento
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Fuentes primarias típicas: bus de continua
Principales características
Conclusión: máxima variacion a considerar de un +/-10%
Planteamiento
- Se genera a partir de la red de distribución. Posibilidades:
Tensión de bus no regulada
• Variación proporcional a la
tensión de distribución.
• Típico: +/-10% de variación,
más rizado
• Circuitos sin PFC activo y
baja potencia
Tensión de bus regulada
(o casi constante)
• Variación de tensión mínima
• Circuitos con PFC activo, de
cualquier potencia
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
ÍndiceÍndice
1.- Introducción: planteamiento
2.- Aspectos de las lámparas a considerar en el diseño
- Cebado
- Calentamiento
- Regimen permanente
3.- Circuitos de alimentación: soluciones no resonantes
4.- Inversores de un interruptor
5.- Normalización y proceso de diseño de inversores tipo I
6.- Aplicación práctica: ejemplo de diseño
7.- Aplicación práctica: ejemplos de resultados:
comparación entre simulación y resultados experimentales
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Caracterización de fluorescentes como carga
Caracterización de lámparas
Zonas de funcionamiento: régimen permanente, fase de
cebado y fase de calentamiento
- Dispersión de características
- Funcionamiento a alta frecuencia
- Influencia de usar forma de onda
cuadrada o cuasi-cuadrada y no
senoidal o cuasi-senoidal
Régimen permanente
Fases de calentamiento
y cebado
- Esfuerzos adicionales
- Duración
Aspectos a considerar
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Relación entre
características eléctricas y fotométricas
9Potencia (W)
600
Flu
jo lu
min
os
o
(lm
)
100
Alta frecuenciaBaja frecuencia
1
Relación casi lineal
Varía según la lámpara
Depende de la frecuencia
Caracterización de lámparas
Control de luminosidad = Control de potencia entregada
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Tensión y corriente en régimen permanente y
a alta frecuencia (>20kHz)
Tensión
Corriente
Caracterización de lámparas
Eje X: tensión
Eje Y: corriente
RV
IRESISTENCIA EQUIVALENTE:
ALTA
FRECUENCIA
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Resistencia a alta frecuencia
Eje X: Tensión Eje Y: Corriente
2 90
Resis
ten
cia
eq
uiv
ale
nte
(W
)
P= 1W
P= 3W
P= 6W
P= 9W
P= 10W
3000
Potencia (W)
Característica R=R(P)
Caracterización de lámparas
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Valor de la resistencia a alta frecuencia
2 90
Resis
ten
cia
eq
uiv
ale
nte
(W
)
3000
Potencia (W)
Aproximaciones
Caracterización de lámparas
Múltiples medidas
Correlación óptimaR A e BP
Dos medidas
Error: 12-15% R
A
PB
Tres medidas
Error: 5%R
A
PBC
Múltiples medidas
Correlación óptimaR A e BP
Tres medidas
Error: 5%R
A
PBC
Ajuste mediante DOS medidas
Error aproximado: 12-15%
Ajuste: potencia 100% y 25%R
A
PB
Aproximaciones
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Resistencia a alta frecuencia: tolerancia
Caracterización de lámparas
500 2500
2
10
RA
PB
Usaremos la aproximación más simple
Variación típica: +/- 20%
(en régimen permanente)
Y una tolerancia del 20%
Error semejante para
todas las aproximaciones
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Influencia de la forma de onda (1)
Caracterización de lámparas
Forma de onda cuadrada Forma de onda senoidal
Tensión Corriente
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Influencia de la forma de onda (2)
Forma de onda cuadrada Forma de onda senoidal
P= 4W
Eje X: tensión Eje Y: corriente
P= 9WP= 7W
P= 5W
P= 4W
P= 9WP= 7W
P= 5W
Conclusión:
A alta frecuencia la
forma de onda NO AFECTA
al valor de R equivalente
Caracterización de lámparas
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Proceso de calentamiento
Caracterización de lámparas
0 500
0.8
1.4
Tiempo (s)
Resis
ten
cia
eq
uiv
ale
nte
(p
.u.)
0 500
0.6
1.2
Tiempo (s)
Flu
jo lu
min
oso
(p
.u.)
Compactas
Rectas
- Variación de Req máxima en torno a 40%). Típica del 20%
- Duración de la fase de calentamiento:
a) Estabilización del flujo luminoso: 1 a 2 minutos
b) Estabilización de características eléctricas: 4 a 6 minutos
Conclusiones
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Tensiones de cebado
Caracterización de lámparas
Resultados similares en todo tipo de
lámparas fluorescentes
Tensión de cebado: entre 6 y
10 veces la tensión nominal
La relación entre tensión de cebado y
nominal disminuye al subir la potencia
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Resumen de conclusiones para el diseño
- La lámpara presenta alta impedancia
- Tensión de cebado elevadaEncendido
Caracterización de lámparas
Régimen
permanente
Potencia
Resistencia
equivalente
Potencia
nominalCaracterística
nominal
Media
potencia
- Característica Potencia-Resistencia
Calentamiento
Envejecimiento
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
ÍndiceÍndice
1.- Introducción: planteamiento
2.- Aspectos de las lámparas a considerar en el diseño
- Cebado
- Calentamiento
- Regimen permanente
3.- Circuitos de alimentación: soluciones no resonantes
4.- Inversores de un interruptor
5.- Normalización y proceso de diseño de inversores tipo I
6.- Aplicación práctica: ejemplo de diseño
7.- Aplicación práctica: ejemplos de resultados:
comparación entre simulación y resultados experimentales
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Resumen de condicionantes
• Potencia relativamente baja
• Se necesita un circuito elevador, generalmente
• En vacío, debe proporcionar tensión suficiente para el cebado
• Recomendable alimentar la lámpara con corriente alterna
• Debe controlarse la potencia de la lámpara
• Recomendable caldear los filamentos antes del cebado
• El circuito debe ser simple
• No es necesario el aislamiento galvánico
Circuitos de alimentación
Inversor, elevador,
y mínimo
número de elementos
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Aspectos del circuito a considerar
Circuitos de alimentación
Batería
LámparaETAPA DE
POTENCIA
Etapa de potencia
• Carácter inversor
• Carácter elevador
• Tensión de cebado
• Regulación frente a la entrada
• Regulación frente a la carga
• Control de la potencia entregada
• Otros (protecciones, etc.)
CIRCUITO DE
CONTROL
Control
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Topologías usadas para alimentar lámparas
Dos
interruptores
1) Push-pull alimentado en tensión
2) Push-pull alimentado en corriente
3) Medio puente
4) Medio puente asimétrico
5) Medio puente alimentado en corriente
Normalmente
resonantes
- LC serie
- LC paralelo
- LCC paralelo
Un interruptor - Convertidor elevador (no inversor)
- Convertidor de retroceso(no inversor)
- Clase E
Etapa de potencia
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Topologías no resonantes de dos
interruptores propuestas
1) Push-pull alimentado en tensión - formas de onda D<0,5
Etapa de potencia
t
<<
<<
uC1
uC2 t
t
t
iLM
uR
LM
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Topologías no resonantes de dos
interruptores propuestas
1.b) Push-pull alimentado en tensión con condensador de
balasto - formas de onda D<0,5
Etapa de potencia
t
<<
<<
uC1
uC2 t
t
t
iLM
uR
LM
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Topologías no resonantes de dos
interruptores propuestas
Etapa de potencia
2) Push-pull alimentado en corriente - formas de onda
i
L
t
uR
t
<<
i
uR
L
LM
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Topologías no resonantes de dos
interruptores propuestas
3) Medio puente - Formas de onda D<0,5
Etapa de potencia
t
t
t
t
<<
<<
u C1
u C2
i LM
u R
LM
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Topologías no resonantes de dos
interruptores propuestas
4) Medio puente asimétrico
Etapa de potencia
Sin transformador Con transformador
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Topologías no resonantes de dos
interruptores propuestas
5) Medio puente elevador o
“Doble elevador” alimentado en corriente
Etapa de potencia
t
t
t
uC1
uC2
uR
<<
<
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
ÍndiceÍndice
1.- Introducción: planteamiento
2.- Aspectos de las lámparas a considerar en el diseño
- Cebado
- Calentamiento
- Regimen permanente
3.- Circuitos de alimentación: soluciones no resonantes
4.- Inversores de un interruptor
5.- Normalización y proceso de diseño de inversores tipo I
6.- Aplicación práctica: ejemplo de diseño
7.- Aplicación práctica: ejemplos de resultados:
comparación entre simulación y resultados experimentales
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Topologías usadas para alimentar lámparas
Dos
interruptores
1) Push-pull alimentado en tensión
2) Push-pull alimentado en corriente
3) Medio puente
4) Medio puente asimétrico
5) “Doble elevador” alimentado en corriente
Normalmente
resonantes
- LC serie
- LC paralelo
- LCC paralelo
Un interruptor - Convertidor elevador (no inversor)
- Convertidor de retroceso(no inversor)
- Clase E
Etapa de potencia
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Inversores no resonantes con un interruptor
Una bobina, Un interruptor Un magnético, Un interruptor
+
CIRCUITO
ELECTRÓNICO
1 Interruptor
1 Magnético
PLANTEAMIENTO
Etapa de potencia
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Topologías de una bobina + un interruptorElevador
tiempouR
Req
uR
No es realmente inversor
Reductor-elevador
tiempouR
Req
uR
No permite adaptar tensión
Válido
Etapa de potencia
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Topologías de un magnético + un interruptor
Inversor de retroceso
Req
uR
tiempouR
Inversores con bobinas
con tomas
31
2
BOBINA
CON TOMA
MEDIA
E S
1 3
2
1 3
2
1 3
2
OPCIONES
Etapa de potencia
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Topologías de un magnético + un interruptor
Inversores con bobinas con tomas directas (BT-D)
RT
N1 N2 N1
N2
RT
N1
N2
RT
Topología BT2 Topología BT3
RT
N1 N2 N1
N2
RT
Topología BT1
Topología BT4
RT
N1N2
Topología BT5 Topología BT6
Etapa de potencia
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Topologías de un magnético + un interruptor
Inversores con bobinas con tomas:
Cambio de terminales correspondientes:
Topologías Directas (D) e Inversas (I)
RT
N1N2
Topología BT5D
RT
N1N2
Topología BT5I
TOPOLOGÍAS INVERSAS: NO SON BOBINAS CON TOMA
MEDIA, pero CONSTRUCTIVAMENTE SON IGUALES
EJEMPLO:
Etapa de potencia
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Tensión
Tiempo
Tensión
Tiempo
Tensión
Tiempo
Tensión
Tiempo
INVERSOR
TIPO 1
DEVOLUCIÓN
DE ENERGÍA
Etapa de potencia
INVERSOR
TIPO 2
NO
INVERSOR
Tensión en la lámpara en las
topologías con bobinas con tomas
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
NO
NO
NO
NO
NO
NO
NO
NO
NO
SI
SI
NO
NO
NO
Topologías posibles: 1 magnético+1 interruptor
TOPOLOGÍA
Elevador
Reductor-elevador
Inversor de Retroceso
BT1 - D, BT1- I (BT1)
BT2 - D
BT2 - I
BT3 - D
BT3 - I
BT4 - D
BT4 - I
BT5 - D
BT5 - I
BT6 - D
BT6 - I
¿ELEVADOR?
SI
SI
SI
SI
SI
SI
NO
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
¿INVERSOR?
NO
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
NO
SI
FINAL¿DEVUELVE
ENERGÍA?
Etapa de potencia
N1
N2
RT
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
¿Qué inversores utilizar?
Análisis de inversores
Tensión
Tiempo
Tensión
Tiempo
TIPO 1: La tensión tiende a anularse
TIPO 2: La tensión tiende a igualarse a la de la “batería”
Circuitos DIFERENTES para cada inversor, pero para cada tipo, UNA
ADECUADA ELECCIÓN DE LAS VARIABLES permite UN ANÁLISIS ÚNICO
INVERSOR
TIPO 1TIPOS DE
FORMAS DE
ONDA EN LA
LÁMPARA:
INVERSOR
TIPO 2
- Nos centraremos en el TIPO 1, que permite reducir y elevar tensión
- El análisis es el mismo que el del inversor de retroceso
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
El problema del caldeo de filamentos
Con caldeo de
filamentos: óptimo
Etapa de potencia
Formas de trabajar: Ejemplo con el reductor-elevador
Sin caldeo - abiertos Sin caldeo – en corto
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Topologías de un magnético + un interruptor
Inversores con bobinas con tomas: posibilidades de caldeo
Reductor-elevador Inversor BT3Elevador
Etapa de potencia
Inversor BT6 Otros, devanado(s) auxiliar(es). Ejemplo: BT3I
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
iS(t) iR(t)
iM(t)RT
uR(t)
LM uS(t)
nuE
iR(t)
LM
uS(t) iM(t)RT
uR(t)
uE
iE(t)=iP(t)= iT(t)
uP(t)
iS(t)
uT(t)
Reducción al secundario
uE n·uE
Estudio en régimen permanente
Análisis del inversor de retroceso
iS(t) jR(t)
iM(t)RT
uR(t)LM uS(t)nuE
Otras topologías similares (Tipo 1: BT, BT
- Se reduce al lado de la lámpara de igual forma
- El circuito siempre es igual, aunque varía el “concepto”
de relación de transformación n
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
iS(t) iR(t)
iM(t)RT
uR(t)
LM uS(t)
nuE
iR(t)
LM
uS(t) iM(t)RT
uR(t)
uE
iE(t)=iP(t)= iT(t)
uP(t)
iS(t)
uT(t)
Circuito a analizar y notación
Estudio en régimen permanente
Análisis del inversor de retroceso
iS(t) jR(t)
iM(t)RT
uR(t)LM uS(t)nuE
iS(t)=0 iR(t)
jM(t) RT
uR(t)LM uS(t)
Intervalos
Intervalo : DT < t <TIntervalo: 0< t < DT
n·uE
D=Ciclo de
trabajo
T=Periodo
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Estudio del régimen permanente
Análisis del inversor de retroceso
tL
un)0(i)t(i
M
EMM
iS(t) jR(t)
iM(t)RT
uR(t)LM uS(t)nuE
iS(t)=0 iR(t)
RT
uR(t)LM uS(t)
Intervalos
Intervalo: DT < t <TIntervalo: 0< t < DT
jM(t)
ER un)t(u
T
M
R
L
TDt
MM e)TD(i)t(i
TDL
un)0(i)TD(i
M
EMM
TDt En
)t(iR)t(u MTR
[1]
Tt En
)0(ie)TD(i)T(i M
R
L
TDT
MMT
M
[2]
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Estudio del régimen permanente
Análisis del inversor de retroceso
Intervalos
Sustituyendo [1] en [2]:
T
M
T
M
R
L
TDT
R
L
TDT
M
E
M
e1
eTDL
un
)0(i
)0(ieTDL
un)0(i)T(i M
R
L
TDT
M
EMM
T
M
Finalmente, con este valor se obtienen de forma inmediata
las evoluciones en todos los elementos del circuito
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Estudio del régimen permanente
Análisis del inversor de retroceso
Resumiendo:n
uE
LM
RT
D
T
Condición de
régimen
permanente
iM,iR,iSuR,uT
Elementos del
circuito
Parámetros de
control
uR-RMS,
iR-RMS
Potencia
Problema: Habría que ajustar valores
de los elementos del circuito, y de los
parámetros de control para conseguir
proporcionar la potencia correcta
Tubo
InversorP
RT
Estudio Normalizado: permite un estudio “independiente” de valores
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
ÍndiceÍndice
1.- Introducción: planteamiento
2.- Aspectos de las lámparas a considerar en el diseño
- Cebado
- Calentamiento
- Regimen permanente
3.- Circuitos de alimentación: soluciones no resonantes
4.- Inversores de un interruptor
5.- Normalización y proceso de diseño de inversores tipo I
6.- Aplicación práctica: ejemplo de diseño
7.- Aplicación práctica: ejemplos de resultados:
comparación entre simulación y resultados experimentales
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Normalización de característica de lámpara
Caracterización de lámparas
Observación: la forma de las curvas potencia-resistencia es similar
Proceso de normalización
POTENCIA NOMINAL: Dato del fabricante
RESISTENCIA NOMINAL: Ensayos (varias lámparas)BASE DE
NORMALIZACIÓN
OBTENCIÓN DE LAS CURVAS NORMALIZADAS
Y DE LA VARIACIÓN DE UN +/-20%
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Caracterización de lámparas
Característica normalizada
(Ejemplo con lámparas rectas de baja potencia)
0 10Resistencia (p.u.)0
1
Po
ten
cia
(p
.u.)
Lámpara de 8W
Lámpara de 13W
Lámpara de 6W
Lámpara de 8W
Lámpara de 13W
Aproximación:
25,1P
25,2Req
Error introducido <5%
El comportamiento
NORMALIZADO es casi igual
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Análisis del inversor de retroceso
Potencia base PBASE= PTN (la potencia deseada en la lámpara)
Impedancia base ZBASE= RTN (la resistencia a la potencia anterior)
Inductancia base LBASE= LM (magnetizante, del lado de la lámpara)
VALORES BASE PRINCIPALES
VALORES BASE DERIVADOS
BASEBASEBASE ZPU Tensión base (tensión nominal de la lámpara)
BASE
BASEBASE
Z
PI Corriente base (corriente nominal de la lámpara)
BASE
BASEBASE
Z
LT Período base (constante de tiempo del circuito)
Régimen permanente: base de normalización
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
2) Obtenemos
todas las
formas de onda
1) Obtenemos las
ecuaciones de
funcionamiento
RESOLUCIÓN
DEL
CIRCUITO
Análisis del inversor de retroceso
VARIABLESIN
NORMALIZARNORMALIZADA
Potencia
Impedancia
Inductancia
Tensión
Corriente
Tiempo
Período
t
P
Z,R
L
u
i
T
Q
m
j
Régimen permanente: variables normalizadas
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Estudio del régimen permanente normalizado
Análisis del inversor de retroceso
M
EMM
mn)0(j)t(j
jS(t) jR(t)
jM(t)QT=1
mR(t)M=1mS(t)nmE
jS(t)=0 jR(t)
QT=1
mR(t)M=1mS(t)
Intervalos
Intervalo: D < <Intervalo: 0< < D
jM(t)
ER mn)t(m
T
M
Q
D
MM e)D(j)(j
D
mn)0(j)D(j
M
EMM
D En
)(jQ)(m MTR
En
)0(je)D(j)(j M
Q
D
MMT
M
[1] [2]
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Estudio del régimen permanente normalizado
Análisis del inversor de retroceso
Intervalos
Sustituyendo [1] en [2]:
T
M
T
M
Q
D
Q
L
D
M
E
M
e1
eDmn
)0(j
)0(jeDmn
)0(j)(j M
Q
D
M
EMM
T
M
Finalmente, con este valor se obtienen de forma inmediata
las evoluciones en todos los elementos del circuito
D
D
EM
e1
eDmn)0(j
1Q
1
T
M
Como:
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Estudio del régimen permanente normalizado
Análisis del inversor de retroceso
Resumiendo:
n·mE
1=M
1=RT
D
Condición de
régimen
permanente
jM,jR,jSmR,mT
Elementos del
circuito
Parámetros de
control
mR-RMS,
jR-RMS
1=(Potencia)
El ajuste, al trabajar con variables
normalizadas, se hará imponiendo
potencia nominal (unidad) para valor
de carga nominal (unidad)
Tubo
Inversor
QT
Estudio Normalizado: permite un estudio “independiente” de valores
1
1
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
tiempos y/o
corrientes
Estrategias de control para no resonantes
BÁSICO: Control por
tON y tOFF
IMAX y tOFF
tON y IMIN
IMAX y IMIN
Controles en modo corriente (autoprotección)
Equivale a ciclo de trabajo y período
PELIGROSO: no protege el circuito de sobrecorrientes
¿ Qué comportamiento sería deseable conseguir ?
Podemos cambiar por:
ciclo de trabajo (D)
período (T)
MODO TENSIÓN
DOS PARÁMETROS DE CONTROL:
Etapa de control
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Comportamiento básico de un circuito
Fuente de Tensión
Media
potencia
Potencia
Resistencia equivalente
Característica
nominal
Nominal
Fuente de
tensión
Equivalente del circuito
u=cteFuente
de
tensión
Características casi
paralelas
Comportamiento
no deseable
Etapa de control
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Comportamiento básico de un circuito
Fuente de Corriente
Características
siempre se cortan
Potencia
Resistencia equivalente
Característica
nominal
Nominal
Fuente de
corriente
Media
potencia
Equivalente del circuito
i=cteFuente
de
corriente
Comportamiento
válido
Etapa de control
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Comportamiento básico de un circuito
Fuente de Potencia
El flujo luminoso
es constante
Equivalente del circuito
P=cteFuente
de
potencia
Potencia
Resistencia equivalente
Característica
nominal
Nominal
Fuente de
potencia
Media
potencia
Comportamiento
óptimo
Etapa de control
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Métodos de control posibles (1)
Análisis del inversor de retroceso
jMAX y OFF
jMAX y jMIN
2) Controles en modo corriente
1) Control en modo tensión
Corrientes posibles: ENTRADA y MAGNETIZANTE
Corrientes posibles: MAGNETIZANTE
Parámetros de control: D y (Ciclo de trabajo y período)
tiempo
Corriente
de entrada
(interruptor) tiempo
Corriente
magnetizante
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Análisis del inversor de retroceso
Métodos de control posibles (2)
TOTAL: 4
MÉTODOS
POSIBLES
jTMAX y
OFF
jMMAX y jMMIN
jMMAX y OFF
Ciclo de trabajo y período
Corriente magnetizante máxima y
tiempo de apagado
D y
Corriente de entrada/interruptor
máxima y tiempo de apagado
Corriente magnetizante máxima y mínima
Obtención de la corriente magnetizante:
circuito extra dependiente de la topología
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Otros parámetros a considerar
Análisis del inversor de retroceso
- Potencia
- Factor de cresta (debe ser <1,7)
- Factor de inversor (óptimo=1)
- Otros (según el control: D, ...)
Parámetros de
funcionamiento
EFICAZ
MAXC
I
I
Senoide:
C=1,4
Cuadrada:
C=1,0
Factor de cresta
TOTAL
ONP
)(t2
Factor de inversor
Simétrica:
C=1
Rango:
C= 0 a 2
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Detalle de la optimización -> Para profundizar
Parámetros
influyentes
1) Parámetros
del circuito
2) Parámetros
de control
-Tensión de entrada
-Relación de transformación
-Resistencia equivalente
-Inductancia magnetizante
-Parámetro 1
-Parámetro 2
Análisis del inversor de retroceso
Potencia ()
Factor de cresta (C)
Factor de inversor (P)
CIRCUITO: QT,nmE, M
CONTROL: p1,p2
INVERSOR DE
RETROCESO
Parámetros de comparación Parámetros influyentesFunción de
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Puntos de trabajo normalizados
Análisis del inversor de retroceso
Fijamos el
circuitoM=1 QT=1nmE
(constante)
Circuito
(QT,nmE, M,p1,p2)
Lámpara
= (QT)
Resistencia equivalente (QT)
Po
ten
cia
(
)
CONDICIÓN:
Entregar potencia
nominal QT=1, =1p2=p2(p1)
Pares
(p1,p2)
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Optimización de los valores
¿ Qué pares de
parámetros (p1,p2) son
mejores?
Los que permitan que los parámetros
de comparación sean ...
- Válidos
- Poco sensibles a variaciones
Fijamos los
parámetros
p1,p21) PARÁMETROS DEL CIRCUITO
2) PARÁMETROS DE CONTROL
ESTUDIO DE SENSIBILIDAD DE LOS
PARÁMETROS DE COMPARACIÓN ANTE:
MÉTODO DE
OPTIMIZACIÓN
Análisis del inversor de retroceso
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Optimización de los valores
Circuito
(QT,nmE, M,p1,p2)Lámpara
= (QT)
Resistencia equivalente (QT)
Po
ten
cia
(
)
Fijamos
p1, p2
Análisis del inversor de retroceso
Variamos
parámetro
ESTUDIO DE SENSIBILIDAD EN UN PUNTO (p1,p2)
MQTnmE
PARÁMETROS
DEL CIRCUITO
Nuevos valores de
los parámetros de
comparación
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Control por ciclo de trabajo y frecuencia
Influencia sobre la potencia
Análisis del inversor de retroceso
Obtenemos la potencia: = (nmE, QT, D, )
Periodo
Ciclo de trabajo
Carga
Tensión de entrada
n, M =1
QT=1, =1Pares de
valores (D, )
Análisis de sensibilidad para varios (D, )
Potencia-Tensión de entrada Potencia-carga
90 100 110
%nmE
(nom)0.8
1
1.2
=0.8 a 1.5
D=0.5
Tensiones
máxima y
mínima
0.8
1.2
=0.8 to 1.5
D=0.5
0.5 1 2.5QT
1
Límites de la
característica
de la lámpara
Comportamiento
de fuente de
tensión
¡No Valido!
Conclusión
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Control por corriente máxima en el
interruptor y tiempo de apagado
Análisis del inversor de retroceso
Tiempo apagado
Max. corriente entrada
Carga
Tensión de entrada
Obtenemos la potencia: = (nmE, QT, jSMAX, OFF)
Pares
(jSMAX,OFF )
n, M =1
QT=1, =1
Análisis de sensibilidad para varios (jSMAX,OFF )
Potencia-Tensión de entrada Potencia-carga
OFF=0.5
0.5 1 2.5QT
0.8
1
1.2
OFF=0.6
OFF=0.4
OFF=0.7
OFF=0.3
OFF=0.7
OFF=0.3
90 100 110
%nmE
(nom)0.8
1
1.2
Comportamiento
de fuente de
corriente
Variación de
Potencia:
-Baja con uE
-Válida con QT
Conclusión
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Control por corriente magnetizante
máxima y mínima
Análisis del inversor de retroceso
Corriente magnetizante
máxima y mínima
Carga
Tensión de entrada
Obtenemos la potencia: = (nmE, QT, jMMAX, jMMIN )
Pares
(jMMAX, jMMIN )
n, M =1
QT=1, =1
Potencia-Tensión de entrada Potencia-carga
Análisis de sensibilidad para varios (jMMAX, jMMIN)
DIm=0.1
to 0.5
%nmE
(nom)90 100 1100.8
1
1.2
DIm=0.5
QT
0.5 1 2.50.8
1
1.2
DIm=0.1
Comportamiento
de fuente de
potencia
Variación de
Potencia:
-Nula con QT
-Válida con uE
Conclusión
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Resumen de resultados principales:
1) Dos métodos de control válidos:
- Corriente por el interruptor máxima y tiempo de apagado
Se comporta como una fuente de corriente que depende poco de la
tensión de entrada
- Corriente magnetizante máxima y mínima
Se comporta como una fuente de potencia que depende de la
tensión de entrada
2) Tablas de valores (adjuntas) que recogen los puntos normalizados
correspondientes a los puntos en que mejor se comporta el circuito
EJEMPLO: CONTROL
POR IEMAX y OFF
- Valores óptimos en torno a n·mE=1,2 y OFF=0,35
- Comportamiento de fuente de corriente
- Especialmente indicado si uE varía mucho
Análisis del inversor de retroceso
jTMAX y
OFF
jMMAX y jMMIN
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
ÍndiceÍndice
1.- Introducción: planteamiento
2.- Aspectos de las lámparas a considerar en el diseño
- Cebado
- Calentamiento
- Regimen permanente
3.- Circuitos de alimentación: soluciones no resonantes
4.- Inversores de un interruptor
5.- Normalización y proceso de diseño de inversores tipo I
6.- Aplicación práctica: ejemplo de diseño
7.- Aplicación práctica: ejemplos de resultados:
comparación entre simulación y resultados experimentales
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
- Tensión de entrada (batería):
- Lámpara:
- Potencia de salida deseada:
Especificaciones
DATOS BÁSICOS
uE=12 (V)
Dulux S/E de 9W: Req(9W)=222 (W
P=9(W)
Ejemplo de diseño
Valores
base: RBASE=222 (W
PBASE= 9 (W)
IBASE=201 (mA
uBASE= 44,7 (V)
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OVIEDO
Especificaciones
Ejemplo de diseño
ELECCIÓN DEL DISEÑADOR (o especificación)
f = 30 kHz- Frecuencia de trabajo deseada:
- Método de control:
- Topología de inversor: Inversor tipo 1
Corriente máxima y
tiempo de apagado
HERRAMIENTAS - Cálculo automático: programas
- Cálculo manual: tablas
nmE=1,15
OFF=0,35-Y punto de trabajo normalizado:
412
45
V
Vn
BATERÍA
LAMPARAaproximado
TIPO 1
IMAX y
OFFQueremos que no varíe con uE
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Obtención de elementos del circuito
Ejemplo de diseño
jEMAX=2,176
C = 1,12
P = 1,18
= 0,6134
D = 0,41
nmE=1,15
OFF=0,35
ENTRADA
Apéndice B Inductancia base
PBASE= 9 (W)
RBASE=222 (W
uBASE= 44,7 (V)
IBASE=201 (mA
BASEBASE ZT
L
Todos los elementos y
variables del circuito
LM=12 (mH)
n=4,28
LBASE=12 (mH)
iEMAX=1,88 (A)
tOFF=19 (s)
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Obtención de elementos del circuito
1
2
N
Nn
(mH) 12LLL BASEM2
H)( 655n
LL
2
M1
INVERSOR de
retroceso
Ejemplo de diseño
SELECCIÓN DE LA TOPOLOGÍA DE INVERSOR A UTILIZAR
n y LM DEFINICIÓN DEL MAGNÉTICO
PASO FINAL:
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Realización de circuitos de control
Ejemplo de diseño
CIRCUITO TEÓRICO
Control por IMAX y tOFF
t
<
uG
t
<
I
tOFF
IMAX
tOFF
T=T(IMAX
,tOFF
)
Q
R
S
Q
uG
uCOMP
(tOFF
)
u(IMAX
)
u(I)
IC1
IC2
FORMAS DE ONDA
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OVIEDO
Realización de circuitos de control
Ejemplo de diseño
REALIZACIÓN CON CIRCUITOS DE BAJO COSTE
Control por IMAX y tOFF
RSHUNT
V(tOFF
)
Control
I
C.Abierto
+Vcc
T1
R1
R2R C
+uREF
RSHUNT
I
u(IMAX
)
+uREF
uCONTROL
u(tOFF
)+uREF
C.AbiertoC.Abierto
+uCC
IC1 IC2
R1
R2
R3
R4
R5
R
C
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OVIEDO
Realización de circuitos de controlEjemplo de diseño
CIRCUITO TEÓRICO
Control por IMAX e IMIN
FORMAS DE ONDA
Q
R
S
Q
uC
u(IMAX
)
u(I)
u(IMIN
)
IC1
IC2
t
<
uC
t
<
IIMAX
T=T(IMAX
,IMIN
)
IMIN
CIRCUITO DE BAJO COSTE
u(+)(IMAX
,IMIN
)
u(I)
uCONTROL
uE
DR
2
R3
R1
Colector
abierto
uREF
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
ÍndiceÍndice
1.- Introducción: planteamiento
2.- Aspectos de las lámparas a considerar en el diseño
- Cebado
- Calentamiento
- Regimen permanente
3.- Circuitos de alimentación: soluciones no resonantes
4.- Inversores de un interruptor
5.- Normalización y proceso de diseño de inversores tipo I
6.- Aplicación práctica: ejemplo de diseño
7.- Aplicación práctica: ejemplos de resultados:
comparación entre simulación y resultados experimentales
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Formas de onda: simulación
Simulación y prototipos
Simulación, sin dispersión Simulación, con dispersión
Tensión en la lámpara
Corriente de entrada
- Correlación exacta con la teoría (circuito ideal)
- Principal aspecto no ideal: retardo en la entrada en conducción
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Formas de onda medidas
Carga resistiva-inductiva Lámpara Philips PL-S 9W
Simulación y prototipos
Tiempo
10 s/div
Tensión 100
V/div
Corriente
200 mA/div
Potencia
20 W/div
- Buena correlación con las simulaciones y la teoría
PROTOTIPO de Inversor de retroceso
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Calculado Calculado
Simulado Simulado
Prototipo Prototipo
Comparación: cálculo y experimentación
Potencia- Tensión de entrada
Ejemplo: Control por IEMAX y tOFF. Sensibilidad
%n·mE
90 100 110
1,2
1
0,8
Potencia- carga
QT
0,9 1 1,1
1,2
1
0,8
- Buena correlación teórica y experimental
Calculado Calculado
Simulado Simulado
Prototipo Prototipo
UNIVERSIDAD DE
OVIEDO
Comparación características reales y simuladas
3) El tiempo de conducción del interruptor es algo mayor del
esperado (De un 10 a un 20% mayor aproximadamente)
1) RESULTADOS DE SIMULACIÓN Y EXPERIMENTALES
SIMILARES (DIFERENCIA INFERIOR AL 5%)
2) Los valores calculados de: Potencia, factor de cresta,
factor de inversor, corrientes máximas y medias
4) El período total es también algo mayor del esperado (De
un 8 a un 15% mayor aproximadamente)
Simulación y prototipos
DIFERENCIA TEORÍA-SIMULACIÓN-EXPERIMENTAL 2-5 %