sistemas electrÓnicos para iluminaciÓn … · espontáneo del inversor. el arranque t 2 u b t 1 r...

UNIVERSIDAD DE OVIEDO

Sistemas Electrónicos para iluminación

UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Javier Ribas Bueno

SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓN

Inversores autoexcitados





Índice:

Introducción

Principio de funcionamiento de los inversores autoexcitados

no resonantes

Inversores autoexcitados resonantes

Medio puente con transistores MOS

Medio puente con transistores bipolares

Conclusiones




Introducción a los inversores autoexcitados

Esquema de un balasto de dos etapas con corrección activa del factor de potencia





FiltroEMI

RectificadorConvertidor

con alto factor de potencia

Inversor resonante

Características de entrada:

•Elevado factor de potencia (FDP0,99)

•Baja distorsión (THD=515%)

•Cumple muy holgadamente las especificaciones de la Clase C de la norma EN 61000-3-2

Características de salida:

•Señal senoidal de alta frecuencia

•Bajo factor de cresta

•Mayor eficiencia de la lámpara

•Encendido programado

•Protecciones

Inconvenientes: solución compleja y MUY CARA





¿Cómo se puede reducir el coste de la etapa de entrada?

PS

Norma EN 61000-3-2

Clase C - Sistemas electrónicos de

iluminación

>25W fuertemente restrictiva

<25W poco restrictiva

VBUS

FILTRO POR CONDENSADOR





¿Cómo se puede reducir el coste de la etapa de salida?

¿Bipolares?

¿Se podría eliminar?





VBUS

Medio puente auto-oscilante

Características básicas:

• El circuito de control se sustituye por un toroide de bajo coste

• El propio transformador toroidal proporciona aislamiento de las señales de control: no se necesitan fuentes flotantes




Índice:

Introducción


no resonantes




Conclusiones





Inversores autoexcitados no resonantes

UB

T2

T1

RB2

RB1

• Solución autoexcitada a partir de devanados auxiliares

• Todas las bobinas están acopladas en el mismo núcleo magnético

• Muy económico para aplicaciones de baja potencia

Push-pull auto-oscilante alimentado en

tensión




Principio de funcionamiento

Supongamos T1 saturado

Se aplica una tensión continua(UB) a la inductanciamagnetizante.

Aparece una corriente por labase de T1 que asegura laconducción.La corriente magnetizante crecelinealmente.

tUL

idtUL

ti B

mag

mag

t

B

mag

mag 1

)0(1

)(0

(R’ representa RB1 y Ro reducidasal devanado del circuito decolector).

El flujo magnéticotambién variarálinealmente.

UB

Lmag R'

iC1

imag

iR'

UB

T1

RB1

iB1

UBi

C1

B

H




Lmag se mantiene constante mientras no se sature elnúcleo. Cuando se satura, Lmag disminuye fuertemente yimag y uCE1 crecen muy rápidamente. Así, la tensión aplicadaa Lmag disminuye con lo que disminuye, a su vez, lacorriente iB1. La intensidad de colector se anulabruscamente.

Al anularse iC1, se inducen tensiones contrarias en losarrollamientos del transformador (Ley de Lenz) queprovocan el corte de T1 y la saturación de T2. Iniciándoseel segundo semiciclo que recorre CDEF.

B

H

A

B

CD

E

F

A

B

CiC1

uCE12·UB

D,E,F

imag

A

B

C

D

EF

UO

uCE1

2·UB

iC1




Cálculo de la frecuencia de oscilación

dt

dNUB

)0(

1)()(

0

t

Be dtUN

AtBt

esatBe ABtUN

AtB 1

)(

Suponiendo que se parte desde la saturación negativa:

Expresión del flujo magnético:

Al cabo de T/2 se alcanza la saturación positiva (+Bsat):

esatBesat ABT

UN

AB 2

1

Operando:

esat

B

ANB

U

Tf

4

1

B

H

+BSAT

-BSAT

T/2

T/2




Inicialmente, los dos transistores están cortados y no aparece tensión en losdevanados del transformador, con lo que la salida es nula permanentemente.

La solución habitual consiste en hacer conducir ligeramente uno de lostransistores (como se muestra en la figura).

A veces las propias diferencias de los transistores pueden producir el arranqueespontáneo del inversor.

El arranque

UB

T2

T1

RB2

RB1




Inversores autoexcitados no resonantes

Resumen de las características del push-pull autoexcitado

alimentado en tensión:

La conmutación se consigue saturando el transformador de potencia

Las pérdidas en el material magnético son elevadas

La saturación da lugar a la aparición de sobrecorrientes en los

transistores: mayores pérdidas de conducción y conmutación

Topología válida para potencias reducidas

Baja eficiencia energética

Muy bajo coste




Índice:

Introducción


no resonantes




Conclusiones





Inversores autoexcitados resonantes: generalidades

Objetivos del circuito de control:

• Generar los pulsos de gobierno de Q1 y Q2 a partir de las señales iRES ó UCP

• Proporcionar aislamiento en las señales de control

• Bajo número de componentes de coste reducido

DRIVER

Circuito de 2º orden

Realimentación de U ó iCP RES

VBUS

UCP

iRES

Q1

Q2





DRIVER

VBUS

UCP‘DRIVER

DRIVER

VBUS iRES

DRIVER

Transformador de corriente

Realimentación de la tensión de

salida

Realimentación de la corriente

resonante





Comparación: Tensión de salida V Corriente resonante

El circuito de control es más complejo cuando se realimenta la tensión

La tensión en la lámpara varía muy fuertemente

VLAMP

ILAMP

Hay riesgo de que quede sin señal de control

El método más empleado es

realimentar la corriente resonante




Introducción al funcionamiento del medio puente autoexcitado

VBUS iRES

Transformador de corriente( )baja impedancia

CS LS

CP RLAMPV1

uGS1

Q1 D1

iQ1

iD1

iRES

V1

uGS1

Margen de variación del ciclo de trabajo

Funcionamiento en ZVS




Introducción al funcionamiento del medio puente autoexcitado

iQ1

iD1

iRES

V1

uGS1

Margen de variación del ciclo de trabajo

Corriente retrasada un ángulo respecto

a la tensión

Las formas de onda no varían mientras el

encendido de los transistores se produzca

mientras conduce el diodo en antiparalelo

El margen de variación del ciclo de

trabajo coincide con

El apagado es más crítico que el

encendido




Estrategias de control

Funcionamiento con tensión de entrada y corriente resonante en fase

iRES

V1

uGS1

uGS2

LS

CP RLAMP

iRES

+

Características:

• No maneja reactiva

• Control sencillo

• Funcionamiento al límite de ZVS

• Válido sólo si se cumple:

P

S

C

LR




Estrategias de control

Funcionamiento con corriente resonante retrasada

Señal de partida Pulsos de gobierno adelantados

¿Circuito de control?

Empleo de las características del transformador de corriente





VBUS

iRES

Transformador de corriente

Tanque resonante

i’RES Lmag

imag

UGS

Circuito equivalente





i’RES Lmag

imag

UGS

iZ

imag

iRES

UGS

Funcionamiento

Pulsos de control adelantados





iZ

imag

iRES

UGS

Flancos de bajada lentos(altas pérdidas de conmutación)

Formas de onda reales

Por efecto de:

Capacidad de puerta

Característica del Zener real

las transiciones de la señal de puerta

son muy lentas incrementando las

pérdidas de conmutación




Posibles mejoras del circuito:

iRES

B

H

Amplificar la corriente de pagado

Empleo de núcleos saturables de control





Transformador de corriente saturable

VBUS

iRES

Transformador de corrientesaturable

Tanque resonante


i’RES Lmag

imag

UGS




Funcionamiento


Transformador de corriente saturable

i’RES Lmag

imag

UGS

iRES

UGS

imag

+iSAT

-iSAT

SaturaciónB

H

Saturación ideal




Medio puente autoexcitado con transistores MOS

VBUS

iRES

CS LS

CP RLAMP

RG

RG


i’RES Lmag

imag

UGS

RG

Transformador de corriente saturable:

Circuito práctico






i’RES Lmag

imag

UGS

RG

La resistencia RG incrementa la dependencia entre la frecuencia y la corriente resonante

Amortigua las oscilaciones debidas a la capacidad de puerta de los MOS

¿Cómo comienza a oscilar el circuito?





Con red de arranque

VBUS

iRES

CS LS

CP

RLAMP

RG

RGRIGN

CIGN

CSNUB

Proporciona el primer pulso de control

Mantiene CIGN descargado durante el funcionamiento normal





Arranque con precalentamiento

VBUS

iRES

CS LS

CP1

RG

RGRIGN

CIGN

CSNUB

CP2

tº

La PTC presenta alta impedancia en caliente y baja impedancia en frio




Medio puente autoexcitado con transistores bipolares

Arranque con precalentamiento

VBUS

iRES

CS LS

CP1

RG

RGRIGN

CIGN

CSNUB

CP2

tº

Las formas de onda dependen fuertemente del tiempo de almacenamiento del transistor




Medio puente autoexcitado con bipolares:

Formas de onda

ANÁLISIS COMPLEJO

RG

RG

iC

iBuA




Índice:

Introducción


no resonantes




Conclusiones





Los circuitos autoexcitados son una alternativa de bajo

coste al empleo de circuitos integrados de control

El análisis y diseño resulta más complejo que

empleando circuitos de control específicos

La implementación de protecciones (cortocircuito,

circuito abierto, ...) es compleja

Conclusiones:

sistemas electrÓnicos para iluminaciÓn … · espontáneo del inversor. el arranque t 2 u b t 1 r...

Documents