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112
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DESARROLLO TEÓRICO EXPERIMENTAL DE UN BALLAST ELECTRÓNICO PARA LÁMPARAS FLUORESCENTES Reynaldo Manuel Ramos Astudillo INFORME FINAL DEL PROYECTO PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR AL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO ELÉCTRICO Junio 2002

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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

DESARROLLO TEÓRICO EXPERIMENTAL DE UN BALLAST ELECTRÓNICO

PARA LÁMPARAS FLUORESCENTES

Reynaldo Manuel Ramos Astudillo

INFORME FINAL DEL PROYECTO

PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO

DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR

AL TÍTULO PROFESIONAL DE

INGENIERO ELÉCTRICO

Junio 2002

Page 2: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

DESARROLLO TEÓRICO EXPERIMENTAL DE UN BALLAST ELECTRÓNICO

PARA LÁMPARAS FLUORESCENTES

INFORME FINAL

Presentado en cumplimiento de los requisitos

para optar al título profesional de

INGENIERO ELÉCTRICO

otorgado por la

Escuela de Ingeniería Eléctrica

de la

Universidad Católica de Valparaíso

Reynaldo Manuel Ramos Astudillo

Profesor Guía Domingo Ruiz CaballeroProfesor Correferente Leopoldo Rodríguez Rubke

Junio 2002

Page 3: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

ACTA DE APROBACION

La Comisión Calificadora designada por la Escuela de Ingeniería Eléctrica haaprobado el texto del Informe Final del Proyecto de Titulación desarrolladodurante el segundo semestre del 2000 y primer semestre del 2001, denominado

DESARROLLO TEÓRICO EXPERIMENTAL DE UN BALLAST ELECTRÓNICO

PARA LÁMPARAS FLUORESCENTES

Presentado por el Señor

Reynaldo Manuel Ramos Astudillo

Domingo Ruiz Caballero

Profesor Guía

Leopoldo Rodríguez Rubke

Segundo Revisor

Raimundo Villarroel Valencia

Secretario Académico

Junio 2002

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DESARROLLO TEÓRICO EXPERIMENTAL DE UN BALLAST ELECTRÓNICO

PARA LÁMPARAS FLUORESCENTES

Reynaldo Manuel Ramos Astudillo

Profesor Guía Sr. Domingo Ruiz Caballero

RESUMEN

En este trabajo es presentada una topología alternativa del conversor

serie-paralelo resonante utilizado como ballast para alimentar dos lámparas

fluorescentes operando éstas en forma complementaria. Se desarrolla una

metodología de cálculo para los componentes y el proyecto físico del ballast,

verificándose lo acertado de la propuesta (operación independiente de las

lámparas) por medio de diversas simulaciones y a través de la construcción de

un prototipo en laboratorio.

En el capítulo final se realiza un proyecto básico de una línea de

producción de reactores electrónicos a pequeña escala.

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R E S U M E N

En este trabajo es presentada una topología alternativa del conversor

serie-paralelo resonante utilizado como ballast para alimentar dos lámparas

fluorescentes operando éstas en forma complementaria. Se desarrolla una

metodología de cálculo para los componentes y el proyecto físico del ballast,

verificándose lo acertado de la propuesta (operación independiente de las

lámparas) por medio de diversas simulaciones y a través de la construcción de

un prototipo en laboratorio.

En el capítulo final se realiza un proyecto básico de una línea de

producción de reactores electrónicos a pequeña escala.

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ii

Í N D I C E

Pág.

LISTADO DE FIGURAS v

INTRODUCCIÓN 1

CAPÍTULO 1

SISTEMA TRADICIONAL Y SISTEMA ELECTRÓNICO CONVENCIONAL 21.1 INTRODUCCIÓN 21.2 SISTEMA TRADICIONAL 21.3 SISTEMA ELECTRÓNICO CONVENCIONAL 31.3.1 Funcionamiento de la Fase Inversora 71.4 CONCLUSIÓN 11

CAPÍTULO 2

ESTUDIO DEL CONVERSOR SERIE PARALELO RESONANTE YDESARROLLO DE UNA METODOLOGÍA DE CÁLCULO PARALOS COMPONENTES RESONANTES 122.1 INTRODUCCIÓN 122.2 INVERSOR SERIE PARALELO RESONANTE CON TENSIÓN DE ENTRADA RECTANGULAR 122.3 TRANSITORIO DE PARTIDA CON FRECUENCIA DE CONMUTACIÓN IMPUESTA 152.4 PARÁMETROS DE LA RED RESONANTE 162.5 PROPUESTA DEL BALLAST ELECTRÓNICO PARA DOS

LÁMPARAS 242.6 RESPECTO DEL CIRCUITO DE CONTROL DEL BALLAST

PROPUESTO 262.7 CONCLUSIÓN 27

CAPíTULO 3

PROYECTO FÍSICO DEL BALLAST ELECTRÓNICOPARA DOS LÁMPARAS FLUORESCENTES DE 40W 283.1 INTRODUCCIÓN 283.2 DESARROLLO DEL PROYECTO 293.2.1 Condensador de Filtro C1 293.2.2 Circuito Resonante 313.2.3 Proyecto de la Bobina Resonante 313.2.4 Circuito de Control de los Interruptores 35

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iii

3.2.5 Especificación de los Transistores 393.2.6 Diodos de la Base 413.2.7 Diodos Volante 413.2.8 Circuito Auxiliar de Partida 423.2.9 Disipadores de Calor 453.3 SIMULACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL BALLAST PARA DOS LÁMPARAS DE 40W 503.4 CONCLUSIÓN 53

CAPíTULO 4

PROTOTIPO DEL BALLAST ELECTRÓNICO PARA DOSLÁMPARAS DE 40W 544.1 INTRODUCCIÓN 544.2 CIRCUITO CONSTRUIDO EN EL LABORATORIO 544.3 PLACA IMPRESA DEL CIRCUITO 574.4 PRUEBA DEL CIRCUITO 574.5 CONCLUSIÓN 63

CAPíTULO 5

PROYECTO DEL BALLAST PARA CUATRO LÁMPARASDE 20W; UN ESTUDIO POR SIMULACIÓN 645.1 INTRODUCCIÓN 645.2 DESARROLLO DEL PROYECTO 645.2.1 Circuito Resonante 655.2.2 Circuito de Control de los Transistores 665.3 SIMULACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL BALLAST

PARA CUATRO LÁMPARAS DE 20W 685.4 CONCLUSIÓN 72

CAPíTULO 6

LÍNEA DE PRODUCCIÓN A PEQUEÑA ESCALA DEREACTORES ELECTRÓNICOS PARA DOS LÁMPARAS 736.1 INTRODUCCIÓN 736.2 DE LA EMPRESA EN CUANTO PRODUCTORA 736.2.1 De la Cantidad de Ballast a Producir 736.2.2 Valor de los Insumos 746.2.3 De los Medios de Producción 756.2.4 De la Remuneración de la Mano de Obra 776.2.5 Tareas del Personal de Montaje 786.2.6 En Cuanto al Bobinado 786.2.7 De la Fijación de los Componentes al Disipador 796.2.8 De la Fijación de los Componentes a la Placa del Circuito Impreso 796.2.9 De la Producción 80

Page 9: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

iv

6.3 VENTAJAS SOCIALES DEL BALLAST PROPUESTO 836.4 CONCLUSIÓN 85CONCLUSIONES 86

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 89

APÉNDICE A

ANÁLISIS EN EL TRANSITORIO DE PARTIDA DEL CIRCUITORESONANTE SERIE-PARALELO CON FRECUENCIA DECONMUTACIÓN IMPUESTA A-1

APÉNDICE B

ANÁLISIS DEL CIRCUITO RESONANTE SERIE-PARALELO CONTENSIÓN DE ENTRADA RECTANGULAR, RÉGIMEN PERMANENTE;FUENTE DE CORRIENTE B-1

APÉNDICE C

CIRCUITOS SIMULADOS Y LISTADO DEL PROGRAMA C-1

APÉNDICE D

DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO A PRODUCIR EN PEQUEÑA ESCALA D-1

APÉNDICE E

HOJA DE DATOS DE LOS COMPONENTES E-1

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CAPÍTULO 1

SISTEMA TRADICIONAL Y SISTEMA ELECTRÓNICO CONVENCIONAL

1.1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo se presentan los sistemas tradicional y electrónico

convencional para la operación de las lámparas fluorescentes, describiendo su

modo de funcionamiento y las ventajas y desventajas de uno respecto del otro.

1.2 SISTEMA TRADICIONAL

El circuito tradicional para la operación de la lámpara fluorescente está

representado en la Figura 1-1.

El funcionamiento de la lámpara fluorescente necesita de diversos

componentes auxiliares. El gas contenido en la lámpara es ionizado por medio

de un impulso de alta tensión entre los electrodos de la lámpara.

Para facilitar la partida, los electrodos están hechos de filamentos que son

calentados durante la ionización de la lámpara por medio de un elemento de

partida (Partidor). Este elemento está constituido por un contacto bimetálico

inmerso en un recipiente de vidrio con una mixtura de gases, y normalmente en

Red

Ballast

L

LámparaPartidor

CCA

Figura 1-1 Método convencional de partida de una lámpara fluorescente.

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3

estado de no conducción. Como regla, se conecta un condensador de 6-20 nF

en paralelo al partidor con el fin de suprimir la radio interferencia que podría ser

causada por la lámpara fluorescente [2]. En el momento en que la tensión de

alimentación es aplicada al circuito, la lámpara permanece en alta impedancia, el

contacto bimetálico cierra el circuito calentando los filamentos e ionizando la

mezcla de gases en la lámpara.

Cuando el contacto bimetálico se enfría, el circuito es abierto, generando

una variación de corriente en la bobina (L), y a su vez provocando una

sobretensión de acuerdo a la ecuación (1-1)

dt

diLV ⋅= (1-1)

Debido a la operación aleatoria del partidor el circuito abre en cualquier

valor de corriente entre cero y máximo.

Con lo anterior podría ocurrir que la sobretensión no fuera lo

suficientemente alta para producir la ignición de la lámpara, entonces la

secuencia de partida es automáticamente repetida hasta alcanzar el encendido

de la lámpara; luego el partidor queda abierto hasta una nueva operación de

encendido.

Cuando la lámpara enciende, su impedancia cae al mínimo,

produciéndose una baja caída de tensión entre los electrodos de la lámpara.

Debe notarse que la lámpara fluorescente se apaga para corriente nula,

produciendo un efecto estroboscópico (50 HZ ó 60 HZ).

1.3 SISTEMA ELECTRÓNICO CONVENCIONAL

El sistema electrónico se basa en alimentar la lámpara fluorescente con

una frecuencia elevada lo que trae las siguientes ventajas [1], [4], [8], [9] :

1. El parpadeo (efecto estroboscópico) de la lámpara cae a niveles

imperceptibles.

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4

2. Para la misma potencia de entrada, los lúmenes de salida de la lámpara

operando a alta frecuencia son un 10-20% más que la operación a 50 HZ.

3. A altas frecuencias las bobinas y condensadores pueden ser mucho más

pequeños, física y numéricamente, para obtener la impedancia necesaria

para limitar la corriente. Esto resulta en una substancial disminución del

peso, comparado con el ballast tradicional.

4. También el zumbido del ballast tradicional es eliminado.

5. Se prolonga la vida útil de la lámpara.

La principal desventaja de estos sistemas es su mayor complejidad en el

circuito eléctrico comparado con el ballast tradicional.

El sistema electrónico más utilizado para los ballast electrónicos para

lámparas fluorescentes es el conversor serie-paralelo resonante medio-puente

asimétrico, debido a que es la estructura más económica, simple y fácil de

implementar [1], [8], [9]. Además de presentar las ventajas de ser auto-oscilante

y aplicar una tensión en los elementos semiconductores que no es superior a su

tensión de alimentación. La Figura 1-2 a) y b) muestra el circuito del conversor

resonante serie-paralelo típico usando diferentes elementos de conmutación.

Cada circuito (a y b) puede ser dividido en cinco bloques de acuerdo a su función

específica.

El bloque I es un rectificador puente (para una fuente de 220 V CA).

Convierte la tensión de entrada en una alta tensión filtrada CD (aprox. 310 V).

El bloque II es un inversor medio-puente, el cual convierte la señal CD en

una señal CA de alta frecuencia. La carga serie-paralelo RLC está en paralelo

con un condensador para conmutación suave (Cz) para reducir las pérdidas de

bloqueo de los elementos de conmutación (Q1 y Q2).

En el bloque III, señales de control son derivadas de la corriente

resonante a través de un transformador (Tr) con tres embobinados (Np-Ns1-Ns2).

La razón de vueltas es n:1:1, donde n = Np/Ns1 y Ns1 = Ns2. Las bases (gates) de

los BJT (MOSFET) son alimentadas con la señal derivada de Tr a través de las

Page 13: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

5

resistencias (Rd1 = Rd2 = Rd). Es a través de este acoplamiento que se obtiene la

auto-oscilación necesaria para el funcionamiento autónomo del circuito.

En el bloque IV, la carga serie-paralelo resonante RLC está compuesta

del tanque serie resonante L-C (Lsr, Csr) y un condensador Cpr en paralelo con la

lámpara.

Naturalmente el condensador Csr no sólo funciona como un bloqueo de la

señal DC para la bobina Lsr, sino que debe resonar con Lsr. Como el ciclo de

trabajo del inversor es igual a 0.5, la tensión DC del condensador Csr es igual a

la mitad de la tensión DC del bus. En el momento de la partida la lámpara

presenta una gran impedancia y el condensador Cpr está en serie con Lsr y Csr (a

través de los filamentos de la lámpara), entonces se produce una operación

resonante con una frecuencia dada por la ecuación (1-2).

+⋅

⋅⋅⋅

=

srpr

srprsr

r

CC

CCL

f

π2

1(1-2)

Como resultado de esta operación la tensión en el condensador Cpr crece

rápidamente hasta alcanzar la tensión de ignición de la lámpara la cual enciende

en forma casi instantánea. Una vez que la lámpara ha encendido

completamente, su impedancia cae a su valor mínimo (valor dado por las

características de la lámpara). El condensador Cpr es entonces cortado por la

resistencia de la lámpara. En estado estacionario el condensador Cpr ayuda a

reducir las corrientes armónicas a través de la lámpara y mejora el factor de

cresta de la corriente [5].

La frecuencia de resonancia tiene ahora un valor definido por Lsr y Csr.

Ahora la lámpara permanece ionizada con su tensión de operación. Así la fase

de encendido es completada.

El bloque V es el circuito de partida. Este circuito es necesario debido a

que el oscilador compuesto de Q1 y Q2 necesita de una energía inicial para

comenzar a operar. Consiste de un diac, un diodo de descarga Dd, y un

Page 14: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

6

condensador (Cs) en serie con una resistencia (Rs). Inicialmente, Cs se carga a

través de Rs y la tensión de Cs crece con la constante de tiempo RsCs. Cuando la

tensión de ruptura del diac es alcanzada, la corriente fluye desde Cs a través del

diac dentro de la base (gate) de Q2. En estado estacionario Cs se descarga por

Q2 vía Dd. (esto debe tenerse presente en el diseño ya que se evita una

sobresaturación de Q2).

Q1

D1

NS1

Rd1

CA220V C

Diac

RS

CS

CZ

Dd

D2

Q2

Rd2

NS2

Np Lsr

Csr

Cpr

I V II III IV

a)

Tr

Q1

D1

NS1

Rd1

CA220V C

Diac

RS

CS

CZ

Dd

D2

Q2

Rd2

NS2

Np Lsr

Csr

Cpr

I V II III IV

b)

DZ1

DZ2

Tr

Figura 1-2 Circuito del ballast auto-excitado a estudiar: a) Implementadocon BJT. b) Implementado con MOSFET.

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7

1.3.1 Funcionamiento de la Fase Inversora

Los circuitos mostrados en la Figura 1-2 podrían ser dibujados como en la

Figura 1-3 para estudiar el comportamiento de la fase inversora en régimen

permanente.

Donde:

E : Tensión de alimentación.

Q1 y Q2 : BJT o MOSFET de alta tensión.

Lsr : Bobina serie resonante.

Csr : Condensador serie resonante.

Cpr : Condensador paralelo resonante(también llamado de

Ignición).

D1 y D2 : Diodos volantes, en el caso de los MOSFET

son los diodos intrínsecos.

El funcionamiento del conversor en régimen permanente es caracterizado

por seis etapas distintas.

En una primera etapa de funcionamiento (Figura 1-4) se considera al

interruptor Q2 conduciendo, ocurriendo el decrecimiento de la corriente en la

bobina Lsr. A través del transformador de corriente, la corriente de base de Q2

decrece hasta hacerse negativa, bloqueando este transistor.

Q1

Q2

Csr

Lsr

CprD1

D2

Lamp

a

b

c

E

+

-

Vab

Figura 1-3 Circuito simplificado del ballast electrónico.

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8

Rb1

Q1

D1

CZ

Re1T1

Rb2

Re2

D2

Q2

Cpr

Csr

Lsr

REQ

E

A C

B

Figura 1-4 Primera etapa de funcionamiento (to - t1).

En el instante del bloqueo de Q2, la corriente que circula por la bobina Lsr

pasa a circular por el condensador de conmutación CZ, hasta que su tensión se

torna nula, completando así una segunda etapa de funcionamiento (Figura 1-5).

Cuando la tensión en el condensador se torna nula, el diodo D1 entra en

conducción y la corriente en la bobina Lsr crece por el circuito resonante,

caracterizando una tercera etapa de funcionamiento (Figura 1-6). El crecimiento

de esta corriente aplica una corriente positiva en la base del transistor Q1,

habilitando su entrada en conducción. De esta manera ocurre un tiempo muerto

desde el bloqueo del transistor Q2 hasta la entrada en conducción del interruptor

Q1, evitando así la conducción simultánea de los interruptores, lo que podría

provocar la destrucción del puente de transistores.

La corriente conducida por el transistor Q1 crece por el circuito resonante

en la cuarta etapa de funcionamiento (Figura 1-7). Durante la conducción de este

transistor su corriente de base decrece hasta cero y se torna negativa,

bloqueándolo.

Ocurrido el bloqueo del transistor Q1, la corriente en la bobina Lsr pasa a

circular por el condensador de conmutación CZ, haciendo que su tensión

decrezca hasta llegar a cero, caracterizando, así, la quinta etapa de

funcionamiento (Figura 1-8).

Cuando la tensión en el condensador llega a cero, el diodo D2 entra en

conducción.

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9

Rb1

Q1

D1

CZ

Re1T1

Rb2

Re2

D2

Q2

Cpr

Csr

Lsr

REQ

E

A C

B

Figura 1-5 Segunda etapa de funcionamiento (t1 - t2).

Rb1

Q1

D1

CZ

Re1T1

Rb2

Re2

D2

Q2

Cpr

Csr

Lsr

REQ

E

A C

B

Figura 1-6 Tercera etapa de funcionamiento (t2 - t3).

Rb1

Q1

D1

CZ

Re1T1

Rb2

Re2

D2

Q2

Cpr

Csr

Lsr

REQ

E

A

B

C

Figura 1-7 Cuarta etapa de funcionamiento (t3 - t4).

Page 18: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

10

La corriente en la bobina Lsr decrece hasta llegar a cero, retornándose a la

primera etapa de funcionamiento. Durante la conducción del diodo D2, la

corriente en la base de Q2 habilita su entrada en conducción. Nuevamente se

observa la existencia de un tiempo muerto entre el bloqueo de Q1 y la entrada en

conducción de Q2. Esto se representa en la Figura 1-9.

Las principales formas de onda teóricas en régimen permanente para las

etapas de funcionamiento descritas anteriormente se muestran en la Figura 1-10.

Rb1

Q1

D1

CZ

Re1T1

Rb2

Re2

D2

Q2

Cpr

Csr

Lsr

REQ

E

A C

B

Figura 1-8 Quinta etapa de funcionamiento (t4 - t5).

Rb1

Q1

D1

CZ

Re1T1

Rb2

Re2

D2

Q2

Cpr

Csr

Lsr

REQ

E

A C

B

Figura 1-9 Sexta etapa de funcionamiento (t5 - t6).

Page 19: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

11

V

iCQ2VCEQ2

iVBC

iD2

iCQ1VCEQ1iD1

t1 t2 t3 t4 t5t6=t0t5

Lsr

CZ

Figura 1-10 Formas de onda teóricas en régimen permanente.

1.4 CONCLUSIÓN

En este capítulo fueron tratados los sistemas tradicional y electrónico

convencional para la operación de las lámparas fluorescentes, describiendo su

modo de funcionamiento. Destacándose las ventajas que presenta el sistema

electrónico convencional sobre el tradicional.

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CAPÍTULO 2

ESTUDIO DEL CONVERSOR SERIE-PARALELO RESONANTE YDESARROLLO DE UNA METODOLOGÍA DE CÁLCULO PARA LOS

COMPONENTES RESONANTES

2.1 INTRODUCCIÓN

En el presente capítulo se describe el funcionamiento del inversor serie-

paralelo resonante, en régimen permanente, a utilizar en este proyecto como

parte del ballast electrónico.

Se realizará el análisis para determinar las ecuaciones de proyecto para

los componentes resonantes de dicho circuito.

Al final del capítulo se presenta la propuesta para el ballast electrónico

para dos lámparas fluorescentes que trabajan en forma complementaria.

2.2 INVERSOR SERIE-PARALELO RESONANTE CON TENSIÓN DEENTRADA RECTANGULAR

Este circuito posee una sección inversora de alta frecuencia que en

nuestro caso es medio-puente. Esta sección inversora produce una tensión de

onda cuadrada la cual es suministrada a la carga (lámpara) a través de una red

LC (el circuito resonante) que filtra la salida de las altas componentes armónicas

en la onda cuadrada. Con esto se puede realizar un análisis aproximado del

circuito al considerar solamente la componente fundamental de la onda cuadrada

de alimentación [4], [6]. Por lo tanto, las características de frecuencia del inversor

serán obtenidas aplicando análisis de circuitos de corriente alterna. Los

componentes serán considerados ideales y la lámpara fluorescente es modelada

como una resistencia. Esto es válido para operaciones de la lámpara a altas

frecuencias [2].

El circuito equivalente del inversor es mostrado en la Figura 2-1.

Page 21: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

13

R

1

1Vab(jω)

jωLsr j ωCsr

jωCpr Vop(jω)

Figura 2-1 Topología del inversor serie-paralelo resonante.

La función de transferencia para la topología serie-paralelo viene dada por

la ecuación (2-1) tomando Csr = Cpr:

−+

=2

2

22

2

1

)(

)(

ωω

ωω

ωω

ωω

os

os

s

os

ab

op

Q

jV

jV

&

&

(2-1)

Donde:

srsros

CL

1=ω (2-2)

sros

sross RCR

LQ

ωω 1== (2-3)

Esta función de transferencia es mostrada en la Figura 2-2.

Puesto que la lámpara fluorescente puede ser modelada como una

resistencia de gran valor en la partida y una resistencia de pequeño valor en

régimen permanente [4], el inversor resonante debe operar en regiones donde la

función de transferencia sea dependiente de la carga [4]. Se requiere una alta

ganancia en la partida ya que la lámpara necesita una alta tensión para ser

Page 22: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

14

ionizada; luego la ganancia debe ser reducida porque la tensión necesaria para

mantener la lámpara ionizada decrece después de la ignición.

De la Figura 2-2 vemos que la topología de este inversor es dependiente

de la carga para valores de frecuencia cercanos a su frecuencia de resonancia

(ωos). Por lo tanto el diseño debe considerar una frecuencia de operación

cercana a la frecuencia de resonancia de la red resonante.

El circuito inversor resonante puede operar bajo o sobre la frecuencia de

resonancia de la red resonante.

Es deseable la operación sobre la frecuencia de resonancia en régimen

permanente del circuito resonante (sobre ωos).

Operando sobre la frecuencia de resonancia la red resonante se comporta

inductivamente (iLsr en atraso con respecto a la componente fundamental de

tensión Vab aplicada por el inversor medio-puente), lo que trae los siguientes

beneficios [1], [3], [4], [6], tomando como referencia la Figura 1-10:

1. La corriente iLsr es prácticamente sinusoidal reduciendo la interferencia

electromagnética.

cs=cp

0

0.5

1

1.5

2

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5W/Wos

G(jw)

Figura 2-2 Características de frecuencia del circuito serie-paralelo resonante.Familia de curvas para Qs = 1-5.

Q5

Q1<Q5 Q1

Page 23: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

15

2. No hay pérdidas de entrada en conducción en los interruptores (BJT o

MOSFET) debido a que su tensión es cero, ya que los diodos volantes, en

antiparalelo con los transistores están en conducción (conmutación

suave), instantes t2 y t5 en la Figura 1-10.

3. Durante la no conducción de los interruptores, instantes t1 y t4 en la Figura

1-10, la corriente iLsr es desviada temporalmente por las capacidades

intrínsecas de los interruptores, reduciendo las pérdidas de conmutación

de bloqueo.

2.3 TRANSITORIO DE PARTIDA CON FRECUENCIA DE CONMUTACIÓNIMPUESTA

Del análisis del transitorio de partida con frecuencia de conmutación

impuesta, realizado en el Apéndice A, se obtuvo la siguiente expresión para la

corriente de la red resonante mostrada en la Figura 2-3:

( )

⋅−

⋅⋅+

−⋅

= )2

)(()

2

)((

4

)( 22

tsen

tsen

L

E

ti sotsot

sotsr

s

Lsrωωωω

ωω

ωπ

Donde:

E : Tensión de alimentación.

ωs : Frecuencia de conmutación impuesta.

ωot : Frecuencia de resonancia en el transitorio de partida.

Lsr : Inductancia serie resonante.

Se efectuaron dos tipos de simulaciones utilizando el programa

MATHCAD para ver el efecto de distintos valores de ωs y ωot en la respuesta de

la corriente del circuito durante el transitorio de partida. La primera simulación

consistió en variar el valor de ωs manteniendo fijo el valor de ωot. En la segunda

simulación se mantuvo fijo el valor de ωs variando el valor de ωot.

Page 24: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

16

x

y

( )tùsen2E

ð4(t)V sab ⋅⋅

⋅=

LsrCsr

Cpr ∞→RLampVab(t)ILsr

Figura 2-3 Circuito para análisis del transitorio de partida.

Los resultados se muestran en la Figura 2-4 y Figura 2-5 para las formas

de onda de la corriente iLsr.

De la Figura 2-4 y Figura 2-5, se puede observar que se produce un

fenómeno que en física es conocido como pulsación, con la frecuencia de la

envolvente dada por ∆F = ωot – ωs. Cuando esta diferencia de frecuencia es

grande (Figura 2-4(b), Figura 2-5(b)) las cantidades de ciclos de ωs contenidos

en la envolvente disminuye, disminuyendo también los valores máximos de la

tensión y la corriente. Al contrario, si la diferencia de frecuencia es pequeña

(Figura 2-4(a), Figura 2-5(a)), las cantidades de ciclos de ωs contenidos en la

envolvente aumenta, aumentando también los valores máximos de la tensión y

corriente.

De esto se concluye que para una operación del circuito resonante con

frecuencia de conmutación impuesta, se pueden controlar los valores máximos

tanto de tensión como de corriente en el transitorio de partida [1].

2.4 PARÁMETROS DE LA RED RESONANTE

Condiciones que debe cumplir el ballast electrónico:

1. En el transitorio de partida debe limitar los valores máximos de corriente y

tensión, pero a un valor tal que puedan provocar la ignición de la lámpara

y el calentamiento de los filamentos.

Page 25: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

17

2. En régimen permanente debe suministrar una corriente constante igual a

la corriente de operación de la lámpara (Iop), y además, que la corriente iLsr

este atrasada con respecto a la componente alterna de Vab (es decir, que

ωs>ωos).

Con respecto a la metodología de cálculo que sigue se debe aclarar que

la primera condición corresponde a una operación de resonancia con frecuencia

de conmutación impuesta (ωs).

De la ecuación (A-7) del Apéndice A, tenemos:

( )22

4

sotsr

s

LsrPICOL

Ei

ωω

ωπ

−⋅

⋅⋅= (2-4)

Luego

reqs

LsrPICOreqPICOC

C

iv

⋅=

ω (2-5)

Donde

iLsrPICO : Valor máximo de la corriente iLsr en el transitorio de partida.

VCreqPICO : Valor máximo de la tensión en el condensador resonante

equivalente.

Despejando Lsr de la ecuación (2-4), y Creq de la ecuación (2-5) tenemos:

reqLsrPICOs

reqsLsrPICO

srCiw

ECwiL

2

4

π−

= (2-6)

CreqPICOs

LsrPICOreq

vw

iC = (2-7)

Page 26: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

18

0 0.0005 0.00110

5

0

5

10Fs=28KHZ

iLsr( )t

t

(a)

0 0.0002 0.0004 0.00064

2

0

2

4Fs=25KHZ

( )

iLsr ( )t

t

(b)

0 0.0002 0.0004 0.00061

0.5

0

0.5

1Fs=20KHZ

iLsr( )t

t

(c)

Figura 2-4 Resultados de la simulación para Fot = 30 KHZ.

Page 27: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

19

0 0.0005 0.0015

2.5

0

2.5

5Fot=25KHZ

( )

iLsr( )t

t

(a)

0 0.0005 0.0011

0.5

0

0.5

1Fot=20KHZ

( )

iLsr( )t

t

(b)

0 0.0005 0.0010.2

0.1

0

0.1

0.2Fot=10KHZ

iLsr( )t

t

(c)

Figura 2-5 Resultados de la simulación para Fs = 28 KHZ.

Page 28: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

20

Para cumplir con la primera condición de diseño (transitorio de partida) se

tiene:

opLsrPICO Ii α= (2-8)

igCreqPICO vv = (2-9)

Donde

α : Factor multiplicador de la corriente de operación.

Iop : Corriente de operación de la lámpara, dada por el fabricante.

Vig : Tensión de ignición de la lámpara, dado por el fabricante.

Reemplazando las ecuaciones (2-8) y (2-9) en ambas ecuaciones

anteriores ((2-6) y (2-7)) tenemos:

reqops

reqsop

srCI

ECIL

⋅⋅⋅

⋅⋅⋅−⋅=

αωπ

ωα2

4

(2-10)

igs

opreq

v

IC

⋅⋅

=ωα

(2-11)

De la ecuación (2-11) en la ecuación (2-10) tenemos:

sop

ig

srI

EvL

ωαπ

⋅⋅

⋅−=

4

(2-12)

Para la segunda condición de diseño, obtener una fuente de corriente

ideal, se considera la ecuación (B-8) del Apéndice B:

Page 29: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

21

CsrLsr

abop

xx

vI

−=

Entonces:

srssrs

op

CL

EI

⋅−⋅

=

ωω

π1

)2/(4

(2-13)

De la ecuación (2-10) se tiene:

reqops

reqsop

srsCI

ECIL

⋅⋅⋅

⋅⋅⋅−⋅=⋅

αωπ

ωαω

4

(2-14)

Reemplazando la ecuación (2-14) en la ecuación (2-13) y considerando

Csr = k Cpr con k constante, tenemos:

ECIk

CIEI

srsop

srops

op

⋅⋅⋅−⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

=

πωα

αωπ

4

)2/(4

(2-15)

Despejando Csr de la ecuación (2-15) tenemos:

( )s

opsr

E

IkC

ωπ

αα ⋅

⋅⋅

+=

)2/(42

(2-16)

Para la segunda condición de diseño también debe cumplirse que

oss ωω > (2-17)

Page 30: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

22

Lo que se puede escribir como:

oss ωβω ⋅= (2-18)

Con β>1.

Del producto de las ecuaciones (2-11) y (2-12) tenemos:

igs

ig

reqsrv

EvCL

⋅−

=⋅2

4

ωπ (2-19)

Reemplazando Csr = k Cpr y despejando ωs obtenemos:

( ) osig

ig

sv

Evk ωπω ⋅

⋅−⋅+=

4

1 (2-20)

La elección del valor de β en la ecuación (2-18) está directamente

relacionada con la distorsión armónica de la corriente aplicada a la lámpara y

con las corrientes reactivas en el circuito; cuando menor es el valor de β, existirá

menor distorsión armónica y menores corrientes reactivas en el circuito, lo que

implica menores pérdidas en los interruptores.

Por esto se tomará un β = 2.

Entonces de la ecuación (2-20) tenemos:

( ) 2

4

1 =

⋅−⋅+

ig

ig

v

Evk π (2-21)

Page 31: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

23

De donde

Ev

Evk

ig

ig

⋅−

⋅−⋅=

π

π4

43

(2-22)

Luego considerando las siguientes definiciones:

Vop : Tensión eficaz de operación de la lámpara (dada por el fabricante).

Iop : Corriente eficaz de operación de la lámpara (dada por el fabricante).

Vig : Tensión de ignición de la lámpara (dada por el fabricante).

E : Tensión continua de alimentación.

ωs : Frecuencia de conmutación.

α : Factor multiplicador de la corriente de operación (Iop)

Determinamos los parámetros como sigue:

Ev

Evk

ig

ig

⋅−

⋅+⋅=

π

π4

43

(2-22)

sop

ig

srI

EvL

ωαπ

⋅⋅

⋅−=

4

(2-12)

( )s

opsr

E

IkC

ωπ

αα ⋅

⋅⋅

+=

)2/(42

(2-16)

k

CC sr

pr = (2-23)

op

opLamp

I

VR = (2-24)

Page 32: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

24

2.5 PROPUESTA DEL BALLAST ELECTRÓNICO PARA DOS LÁMPARAS

Desde un punto de vista económico y práctico, es conveniente el uso de

un ballast electrónico para dos o más lámparas fluorescentes. Existen modelos

para ballast electrónicos alimentando dos lámparas en serie ([1], por ejemplo).

Pero el problema con estas topologías es que las lámparas no pueden operar

independientemente una de la otra. Si una de las lámparas falla, o falta una

lámpara, el circuito eléctrico se interrumpe imposibilitando el funcionamiento de

las restantes lámparas.

Se propone el siguiente circuito de un ballast electrónico para dos

lámparas, Figura 2-6, basado en el conversor serie-paralelo resonante medio

puente asimétrico visto anteriormente. En la Figura 2-7 se muestra el principio de

funcionamiento del circuito. Básicamente consiste en aprovechar la tensión

presente en el interruptor Q2 para alimentar una segunda red resonante y una

segunda lámpara. Las lámparas Lamp1 y Lamp2 (Figura 2-6) quedan operando

en forma complementaria, como se muestra en la Figura 2-7. Cuando el circuito

de la lámpara Lamp1 es alimentado por la fuente E, el circuito de la lámpara

Lamp2 está en circulación libre, por lo que la topología propuesta tiene la ventaja

de operar con dos lámparas independientes entre sí.

Q1

Q2

Csr1

Lsr1

Cpr1D1

D2

Lamp1

a

b

c

E

+

-

Vab

Csr2

Lsr2

Cpr2Lamp2Vbc

Figura 2-6 Circuito propuesto para el ballast electrónico alimentando doslámparas.

Page 33: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

25

a

b

c

E

+

-

+

-

+

-

a

b

c

E

+

-

+

-

+

-

Q1

Q2

Q1

Q2

D1

D2

D1

D2

Vab = E

Vbc = 0

Primera etapa (to, t1) Segunda etapa (t1, t2)

Vab = 0

Vbc = E

a

b

c

E

+

-

+

-

+

-

a

b

c

E

+

-

+

-

+

-

Tercera etapa (t2, t3) Cuarta etapa (t3, t4)

Q1

Q2

Q1

Q2

D1

D2

D1

D2

Vab = 0

Vbc = E

Vab = E

Vbc = 0

Figura 2-7 Estados topológicos del circuito propuesto.

La forma de operación hace pensar en la posibilidad de trabajar con más

de dos lámparas, por ejemplo alimentando dos lámparas en serie en cada

circuito resonante. Este punto es tratado con más detalle en el capítulo 4.

Page 34: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

26

2.6 RESPECTO DEL CIRCUITO DE CONTROL DEL BALLAST PROPUESTO

Como se explicó en el capítulo 1, sección 1.3, la operación de auto-

oscilación del circuito del ballast electrónico es lograda por medio de un pequeño

transformador y del propio circuito resonante.

Generalmente, en circuitos con transistores bipolares, existe la necesidad

de una etapa de realimentación para mantener estable el punto de operación de

los bipolares. Esto es logrado al conectar una resistencia en serie con el emisor

del transistor. Sin embargo, la adición de esta resistencia en el circuito causa

que las pérdidas por efecto Joule se incrementen. Este arreglo es mostrado en la

Figura 2-8 a).

La Figura 2-8 b) presenta una disposición alternativa, donde las

resistencias en serie con cada uno de los emisores son reemplazadas por el

bobinado primario del transformador de control (Lp1), ahora dividido en dos (Le1,

Le2), con esto la misma función circuital de las resistencias es obtenida, pero,

reduciendo las pérdidas.

En la Figura 2-9 se muestra la disposición de las bobinas del

transformador de control y su conexión en el circuito. Debido a su partición y

localización, estas bobinas podrían mantener la auto-oscilación del circuito.

L

L

Rb1

Re1

Lsec1

Rb2

Re2

Lsec2

Lp1

Q1

Q2

Rb1

Rb2

Lsec1

Lsec2

Q1

Q2

e1

e2

a) b)

Figura 2-8 Topologías del circuito de control: a) convencional, b) propuesto.

Page 35: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

27

Le1

Le2

Lsec2Lsec1

Al emisor de Q1

Al emisor de Q2

A la base de Q1A la base de Q2

Figura 2-9 Bobinas del transformador de control.

2.7 CONCLUSIÓN

Fue descrito el funcionamiento del inversor serie-paralelo resonante, en

régimen permanente, como parte del ballast electrónico.

Se desarrollo una metodología de análisis, en base a las condiciones que

debe cumplir el ballast, para determinar las ecuaciones de proyecto para los

componentes del circuito resonante.

Finalmente fue presentada la propuesta para el ballast electrónico para

dos lámparas fluorescentes que trabajan en forma complementaria, describiendo

su principio de funcionamiento, presentando además una disposición alternativa

para el circuito de control de los interruptores.

La principal desventaja de esta topología es la necesidad de un mayor

número de bobinas resonantes. Lo que implica mayor volumen y costo.

Page 36: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

CAPÍTULO 3

PROYECTO FÍSICO DEL BALLAST ELECTRÓNICO PARA DOS LÁMPARASFLUORESCENTES DE 40W

3.1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo se presenta el desarrollo del proyecto del convertidor

medio puente asimétrico serie-paralelo resonante auto-oscilante utilizado como

ballast para alimentar dos lámparas fluorescentes que trabajan en forma

complementaria. Serán determinadas las especificaciones tanto para los

elementos semiconductores como para los componentes pasivos. Se realizará el

estudio del circuito auxiliar de partida y del circuito de control de los interruptores.

El circuito a proyectar se muestra en la Figura 3-1, donde se puede

apreciar la disposición alternativa para los arrollamientos del transformador de

control de los interruptores. En la sección final serán presentados los resultados

de las simulaciones de este circuito. Los componentes del circuito son listados

en la Tabla 3.1

Q1

Csr1

Lsr1

Cpr1Lamp1

DQ1

Q2DQ2

Csr2

Lsr2

Lamp2Cpr2

DRb1

Rb1

Le1

Le2

DRb2

Rb2

Cz

C1D1 D3

D2 D4

VsinDp

Diac

Rp1

CpRp2

Ls1

Ls2

Figura 3-1 Circuito del ballast para dos lámparas.

Page 37: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

29

Tabla 3.1 Listado de los componentes del circuito.

Componente Descripción

D1, D2, D3, D4 Diodos del rectificador puente

C1 Condensador de filtro

Rp1, Rp2 Resistencias del circuito de partida

Cp Condensador del circuito de partida

Dp Diodo del circuito de partida

Diac Diac del circuito de partida

Cz Condensador para conmutación suave

DQ1, DQ2 Diodos volantes

Q1, Q2 BJT de la etapa inversora

DRb1,DRb2 Diodos de la base

Rb1,Rb2 Resistencias de la base

Csr1, Csr2 Condensadores serie resonantes

Lsr1, Lsr2 Bobinas serie resonantes

Cpr1, Cpr2 Condensadores paralelo resonantes

Le1, Le2 Bobinas del primario del transformador de control

Lsec1, Lsec2 Bobinas del secundario del transformador de control

3.2 DESARROLLO DEL PROYECTO

3.2.1 Condensador de Filtro C1

Para el cálculo de la capacidad del condensador C1 se usará el método

señalado en [14], donde se determina el valor del condensador de filtro dados los

siguientes valores y el gráfico mostrado en la Figura 3-2:

R : Resistencia de carga

ω : Frecuencia de la red

Vp : Valor máximo de la tensión de red

Page 38: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

30

VCmin : Valor mínimo de la tensión de rizado

Para nuestro caso los datos son los siguientes:

R = 1200 Ω (resistencia carga equivalente)

ω = 314,16 rad/seg

Vp = 310 V

VCmin = 300 V

Luego

96,0310300min ==

p

C

V

V (3-1)

Entonces de la curva de la Figura 3-2 tenemos:

60=RCω (3-2)

Figura 3-2 Relación entre el producto ωRC y la razón del rizadoVCmin/Vp.(obtenido de [14]).

60

0.96

Page 39: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

31

Ahora calculamos C1 como

FR

C µω

1596.3141200

60601 =

×== (3-3)

3.2.2 Circuito Resonante

Los parámetros de la red resonante serán determinados por medio de las

ecuaciones de proyecto obtenidas en el capítulo anterior para dos lámparas con

las siguientes características:

P: 40 W Iop: 0.35 A Vig: 1100 V

Con los siguientes datos de proyecto:

E: 310 V Fs: 50 KHZ α: 5 [-]

Con estos datos se obtienen los siguientes valores para cada red

resonante:

Lsr = 1,283 mH

Csr = 31,6 nF

Cpr = 4,03 nF

RLamp = 326,5 Ω

3.2.3 Proyecto de la Bobina Resonante

A continuación se determinarán las características físicas de la bobina

resonante.

Para la determinación del tipo de núcleo se utilizará la siguiente ecuación

[15]:

Page 40: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

32

upmáxmáx

rmspk

eW kkBJ

IILAAAP

⋅⋅⋅⋅⋅⋅

=⋅=410

Cm4 (3-4)

Donde

AP : Producto-área del núcleo

AW : Área de la ventana del núcleo

Ae : Área de la pierna central del núcleo

L : Inductancia de la bobina resonante

Ipk : Corriente máxima a través de la bobina

Irms : Corriente efectiva a través de la bobina

Jmáx : Máxima densidad de corriente

Bmáx : Densidad de flujo máxima del material

Kp : Factor de arrollamiento

Ku : Factor de utilización de la ventana

Se asumirá un Jmáx de 300 A/Cm2, el material utilizado para el núcleo será

la ferrita, luego Bmáx será 0,3 Tesla. Los factores kp y ku son obtenidos del

Apéndice E, con esto:

03528,07,013,0300

1035,035,0210283,1 43

=⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅=

AP Cm4

Del Apéndice E seleccionamos el núcleo E-30/7 de Thornton, con las

siguientes características:

• Núcleo de ferrita tipo E, material IP6

• Ae = 0,60 Cm2

• AW =0,80 Cm2

• Lt =5,6 Cm

El número de vueltas viene dado por [15]:

Page 41: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

33

410⋅⋅

⋅=

emáx

pk

AB

ILN (3-5)

Luego:

35106,03,0

35,0210283,1 43

=⋅⋅

⋅⋅⋅=

N espiras

La longitud del entrehierro es calculada usando la siguiente relación [15]:

22

10 −⋅⋅⋅⋅

=L

ANl ero

g

µµ Cm con µr = 1 (3-6)

Luego:

0072,01010283,1

6,0351104 23

27

=⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅= −

−πgl Cm

La sección del conductor viene dada por [15]:

máx

condcond J

IA = cm2 (3-7)

Luego:

001650,0300

235,0 =⋅=condA Cm2

Entonces del Apéndice E seleccionamos el conductor 24 AWG.

Respecto de la sección transversal del conductor se deben cumplir las

siguientes condiciones:

1) Debe tener un valor tal que permita al arrollamiento completo estar

contenido en el área de la ventana del núcleo, es decir, debe cumplirse

la siguiente desigualdad [15]

Page 42: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

34

Wpucond AkkAN ⋅⋅≤⋅ (3-8)

Luego:

56,007165,0

8,017,0002047,035

≤⋅⋅≤⋅

Cumpliéndose la primera condición.

2) Para reducir el efecto pelicular, el cual se hace notorio a altas

frecuencias de operación, el conductor es sustituido por un conjunto de

conductores de menor sección transversal. El área máxima que debe

tener el conductor, en función de la frecuencia de operación (fs), viene

dada por la siguiente relación [16]

π⋅=s

máxf

A261.6

Cm2 (3-9)

Entonces debe cumplirse que:

máxcond AA ≤

De lo contrario el conductor será reemplazado por máx

cond

A

An = conductores

de sección máxA .

Luego:

002745,050000

61,6002047,0

2

=⋅≤ π

Cumpliéndose la segunda condición.

Finalmente, las especificaciones para la bobina resonante son:

• Núcleo E30/7 Thornton

• N = 35 espiras 24 AWG

• lg = 0,0072 Cm

Page 43: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

35

3.2.4 Circuito de Control de los Interruptores

El esquema del circuito de control de los interruptores a proyectar se

muestra en la Figura 3-3.

Donde:

Ie1 : Corriente de la bobina de emisor Le1

Ie2 : Corriente de la bobina de emisor Le2

Isec1 : Corriente de la bobina del secundario Lsec1

Isec2 : Corriente de la bobina del secundario Lsec2

Vsec1 : Tensión del secundario Lsec1

Vsec2 : Tensión del secundario Lsec2

Vbesat : Tensión base-emisor de saturación

Rb : Resistencia de base

Ne1, Ne2 : Número de espiras de las bobinas Le1 y Le2

respectivamente

Nsec1, Nsec2 : Número de espiras de las bobinas Lsec1 y Lsec2

respectivamente

RbRb

Vbesat VbesatNe1

Ne2

Nsec2Nsec1Vsec1 Vsec2

+

-

-

+

Isec1 Isec2

Ie1

Ie2

Figura 3-3 Esquema del circuito de comando.

Page 44: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

36

El núcleo a utilizar para el transformador de control fue obtenido de [1],

sus características principales son dadas a continuación:

Núcleo toroidal de ferrita: material magnético IP6 de Thornton.

Intensidad de campo magnético máxima: Hmáx = 0,8 A-V/Cm

Permeabilidad relativa: µr = 3000

Diámetro externo: D = 15 mm

Diámetro interno: d = 9,5 mm

Área efectiva: Ae = 0,1925 Cm2

Longitud del camino magnético: λ = 3,848 Cm

Respecto de la Figura 3-3 podemos escribir:

2sec2sec1sec1sec11 nininiHmáx ee ⋅+⋅−⋅=⋅λ (3-10)

Y sean:

ee

s

ee

ii

nnn

nn

===

=

1

2sec1sec

1

(3-11)

Reemplazando las relaciones (3-11) en (3-10) y ordenando tenemos:

( )1sec2sec iinniHmáx see −⋅+⋅=⋅λ (3-12)

Por otro lado:

b

besat

R

VVi 1sec

1sec

+−= (3-13)

b

besat

R

VVi

+= 2sec

2sec (3-14)

2sec1sec VV = (3-15)

Luego de las ecuaciones (3-13), (3-14) y (3-15) tenemos:

Page 45: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

37

b

besat

R

Vii

⋅=+−

22sec1sec (3-16)

Reemplazando la ecuación (3-16) en (3-12) y ordenando:

bbe

ees R

V

niHmáxn ⋅

⋅⋅−⋅

=2

λ (3-17)

Con los siguientes valores:

2=en

Ω= 30bR

84,0=besatV V

8,0=Hmáx A-V/Cm

848,3=λ cm

99,02 =⋅= Lspke ii A

Donde opLspk Ii ⋅= 2 corriente máxima a través de la bobina resonante, e

35,0=opI A corriente de operación de la lámpara.

Tenemos:

203084,02

299,0848,38,0=⋅

⋅⋅−⋅

=sn espiras

Tomando un quinto de este valor para no saturar el núcleo

4=sn espiras

Recalculando el valor de Rb como sigue, de la Figura 3-4 se tiene:

ebeRb VVVV ++=sec (3-18)

Con las siguientes relaciones:

Page 46: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

38

( ) ( ) bsat

op

bsat

eRb

s

ee

RI

Ri

V

VVn

nV

⋅+⋅⋅

=⋅+

=

⋅=⋅=

1

22

1

21

secsec

ββ

(3-19)

Donde βsat es la ganancia forzada de corriente del transistor.

Luego, de la ecuación (3-19) en (3-18) y ordenando tenemos:

( ) ( )124

2sec +⋅⋅⋅⋅−

= sat

op

besatb

I

VVR β (3-20)

Considerando los siguientes valores:

Vbesat = 0,84 V Vsec = 10 V

βsat = 5 [-] Iop = 0,35 A

Se tiene:

( ) Ω=⋅⋅⋅⋅−= 256

35.024

84.0210bR (3-21)

Por lo tanto:

ne = 2 espiras

ns = 4 espiras

Rb = 25 Ω

QRb

LsecLe Ve

VRb

Vsec

+-

++

-

-Vbe

-

+

Figura 3-4 Detalle del circuito de control.

Page 47: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

39

Para determinar el tipo de conductor consideraremos la siguiente relación:

máx

condcond J

IA = (3-22)

Donde:

Acond : Sección transversal del conductor

Icond : Corriente a través del conductor

Jmáx : Densidad de corriente máxima

Considerando una máxima densidad de corriente de 300 A/Cm2 y una

corriente por el conductor dada por:

99,022 =⋅⋅== opecond IiI A

Tenemos:

0033,0300

99,0 ==condA Cm2

Del Apéndice E seleccionamos el conductor 21AWG.

Finalmente tenemos las siguientes características para el circuito de

control:

• Núcleo toroidal de ferrita, material IP6

• ne1 = ne2 = ne = 2 espiras

• nsec1 = nsec2 = ns = 4 espiras

• Conductor 21 AWG

3.2.5 Especificación de los Transistores

Los parámetros a considerar para la selección de los interruptores serán

los siguientes:

VCEmáx : Tensión colector-emisor máxima.

IC : Corriente de colector

Page 48: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

40

Cuando el inversor está normalmente cargado con un tubo fluorescente, la

tensión máxima de colector que debe ser soportada por el transistor es igual a E

(tensión de entrada rectificada), para una tensión de entrada Vin de 220 Vrms

tenemos:

2⋅= inVE (3-23)

Luego:

VE 3112220 =⋅=

Asumiendo una variación en la tensión de alimentación de 15% y una

adicional del 10% por margen de seguridad, resulta en una V(BR)CEO (tensión de

ruptura colector-emisor con la base abierta) de 400 V mínima para los

transistores en este circuito.

Para condiciones de régimen permanente la corriente pico en la lámpara

podría ser:

2⋅=op

Lamppico V

PI (3-24)

Donde:

PLamp : Potencia de la lámpara.

Vop : Tensión de operación de la lámpara.

Para una lámpara de 40W/113V se tiene

AI pico310500 −⋅=

Durante la partida la corriente viene dada por:

QII picopartida ⋅= (3-25)

Donde Q es el factor de calidad de carga.

Asumiendo un factor Q = 5 tenemos:

AI partida 5,2510500 3 =⋅⋅= −

Page 49: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

41

Considerando que el circuito alimenta dos lámparas el transistor debe

soportar una corriente de operación entre 1A y 2A, y un valor máximo de

corriente en el rango de 5A a 6A.

Con lo anterior las especificaciones del transistor son:

VCEO = 400 V

IC = 2 A

3.2.6 Diodos de la Base

Los diodos DRb1 y DRb2 (Figura 3-1) en paralelo con las resistencias de la

base tienen el objetivo de descargar lo más rápidamente posible la base de los

transistores, con el fin de reducir el tiempo de conmutación de bloqueo de los

transistores. Por esto deben ser del tipo de diodos rápidos, [9].

La máxima tensión inversa presente en estos diodos viene a ser menor

que la tensión máxima de los devanados secundarios del transformador de

control y la corriente efectiva que deben soportar es de bajo valor debido a que

sólo conducen en el momento del bloqueo de los transistores con el fin de

descargar los portadores minoritarios de la base de éstos.

Luego las especificaciones para estos diodos son:

VRRM = 50 V

IF(AV) = 500 mA

3.2.7 Diodos Volantes

Los diodos DQ1 y DQ2 (Figura 3-1) en paralelo con los transistores tienen el

objeto de proveer un camino para la corriente inductiva cuando los interruptores

sean bloqueados. En el bloqueo de los transistores el dv/dt puede ser muy alto,

Page 50: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

42

DQ1 y DQ2 deben tener un corto tiempo de entrada en conducción para que la

tensión pico sea fijada a un valor seguro, [8].

La máxima tensión inversa presente en estos diodos viene a ser igual a la

tensión máxima de los interruptores y la corriente efectiva que deben soportar es

de bajo valor debido a que sólo conducen en el momento del bloqueo de los

transistores.

Luego las especificaciones para estos diodos son:

VRRM = 400 V

IF(AV) = 500 mA

3.2.8 Circuito Auxiliar de Partida

El circuito inversor no parte por sí solo, ambos transistores (Q1 y Q2) están

bloqueados, y permanecen bloqueados, cuando la potencia es aplicada, hasta

que uno de ellos sea inicialmente activado para que pueda fluir una corriente a

través del primario del transformador de control (T1). Esto podría, entonces,

inducir una tensión en los secundarios del transformador lo cual podría proveer

la necesaria excitación de la base de los transistores para mantener la auto-

oscilación.

La partida es generalmente realizada utilizando un Diac (DIAC en la

Figura 3-5). Cuando la potencia es aplicada, el oscilador logra la partida de la

siguiente manera (respecto de la Figura 3-5):

El condensador C se carga vía R1 hasta alcanzar la tensión de ruptura del

Diac. Cuando la tensión de ruptura del Diac es alcanzada éste descarga el

condensador en la base de Q2 activándolo. Al activarse Q2 una corriente fluye a

través del primario del transformador de control T1. De ahora en adelante la

oscilación es mantenida por las tensiones inducidas en los secundarios del

transformador de control.

Page 51: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

43

El diodo D1 descarga el condensador C cada vez que Q2 se activa,

evitando repetidos disparos del Diac cuando no es requerido, y de esta forma

evitando la sobresaturación de Q2.

El circuito de partida debe cumplir dos funciones principales:

• Proveer suficiente corriente a la base del transistor Q2 para su activación.

• Minimizar las pérdidas en este circuito.

El condensador C debe dar un pulso lo suficientemente grande para

inyectar una corriente significativa en la base de Q2. como una regla de diseño,

la constante de tiempo R2C podría ser del 5% del tiempo de activación de Q2 [8].

El tiempo de activación de Q2 es la mitad del período de conmutación, es decir,

10 µs; tomando R2 = 10 Ω, tenemos:

5010

05,0)1010( 6

=⋅⋅=−

C nF

Por otro lado, el tiempo necesario para que el condensador C se cargue a

la tensión de ruptura del Diac debe ser mucho mayor que el período de

activación de Q2.

Q1

Q2

DQ1

DQ2

Rb1

Rb2

DRb2

DRb1

T1

T1

DIAC

R1

C

D1

E

+

-

Al primario de T1

Figura 3-5 Circuito de partida convencional.

Page 52: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

44

La tensión del condensador C en función del tiempo viene dada por la

ecuación (3-26):

)1()()( τ

t

C eEtV−−⋅= (3-26)

Donde:

E : Tensión de alimentación.

τ : Constante de tiempo de la red formada por R1 y C.

Si el condensador se carga a la tensión del Diac en un tiempo t = td

podemos escribir:

( ))1()( τ

td

DiacC eEVtdV−−⋅== (3-27)

despejando τ de la ecuación (3-27) tenemos.

)ln(Diac

d

VE

Et

=τ (3-28)

Donde td >> 20 µs.

Tomando VDiac = 32 V y td = 2 ms, de la ecuación (3-28) tenemos:

33

10357,18)

32310

310ln(

102 −−

⋅=

⋅=τ s

De donde:

Ω⋅=⋅

⋅== −

−3

9

3

103671050

10357,181

CR

τ

Para R1=367 KΩ se tienen 262 mW por efecto Joule en esta resistencia, lo

que esta de acuerdo con la segunda función del circuito.

Page 53: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

45

3.2.9 Disipadores de Calor

Para la selección del disipador debe ser especificada su resistencia

térmica.

La resistencia térmica del disipador viene dada por la siguiente ecuación

[13]:

)( CDTHJCTHJATHDATH RRRR +−= ºC/W (3-29)

Donde

RTH DA : Resistencia térmica disipador ambiente

RTH JA : Resistencia térmica juntura ambiente del transistor

RTH JC : Resistencia térmica juntura cápsula del transistor (dado por

el fabricante)

RTH CD : Resistencia térmica cápsula disipador del transistor

RTH DA puede determinarse a partir de la ecuación [13]:

Tot

aj

JATHP

TTR

−= ºC/W (3-30)

Donde

Tj : Temperatura de la juntura del transistor

Ta : Temperatura ambiente

PTot : Pérdidas totales de operación del transistor

Las pérdidas de operación del transistor son la suma de las pérdidas de

conducción con las pérdidas de conmutación cuyas expresiones vienen dadas

por las siguientes ecuaciones [13]:

Page 54: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

46

( )T

tViViP on

besatbcesatcCond ⋅⋅+⋅= W (3-31)

( )frscConmut ttfiEP +⋅⋅⋅⋅=2

1 W (3-32)

Donde

PCond : Pérdidas de conducción del transistor

ic : Corriente del colector

ib : Corriente de base

Vcesat : Tensión colector emisor de saturación

Vbesat : Tensión base emisor de saturación

T : Periodo de conmutación

ton : Tiempo de conducción

PConmut : Pérdidas de conmutación del transistor

E : Tensión de colector emisor máxima

fs. : Frecuencia de conmutación

tr : Tiempo de subida

tf : Tiempo de caída

De la hoja de datos del transistor (Apéndice E) se tiene:

25,0=cesatV V

2,1=besatV V

5=satβ [-]

170=ft ns

110=rt ns

De las características del circuito tenemos:

99,022 =⋅⋅= opc Ii A

Page 55: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

47

198,0==sat

cb

ii

β A

5,0=T

ton [-]

310=E V

50=sf KHZ

Luego de la ecuación (3-31) obtenemos:

( ) 2426,05,02,1198,025,099,0 =⋅⋅+⋅=CondP W

Y de la ecuación (3-32) resulta:

( ) ( ) 1483,2101101705000099,031021 9 =⋅+⋅⋅⋅⋅= −

ConmutP W

Luego las pérdidas totales del transistor son:

3909,21483,22426,0 =+=+= ConmutCondTot PPP W

De la hoja de datos del transistor se tiene que 150=jmáxT ºC. Este es el

límite superior de temperatura a la cual no se debe llegar si se quiere evitar la

destrucción de la juntura. Por lo tanto se considerará un margen de seguridad

del 50% de jmáxT , manteniendo de esta forma una temperatura de la unión igual a

75 ºC.

Se considerará una temperatura ambiente de operación de 40 ºC.

Con lo anterior, de la ecuación (3-30) tenemos

64,143909,2

401505,0=

−⋅=JATHR ºC/W

Page 56: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

48

La resistencia térmica cápsula disipador depende del sistema de fijación

del disipador y el componente, como también del material que se interponga

entre ambas superficies de contacto.

Los elementos que se sitúan entre la cápsula y el disipador pueden ser de

dos tipos:

a) Pastas conductoras de calor (silicona por ejemplo)

b) Láminas aislantes eléctricas (mica por ejemplo)

El tipo de contacto entre cápsula y disipador podría ser como sigue:

• Directo

• Directo más pasta de silicona

• Directo más mica aislante

• Directo más mica aislante más pasta de silicona.

Valores aproximados de esta resistencia, dependiendo del tipo de

contacto, se muestran en la Tabla 3.2.

Se considerará para los cálculos el valor mayor, es decir:

80,0=CDTHR ºC/W.

Tabla 3.2 Resistencia térmica en función del tipo de contacto.

Tipo de contactoResistencia térmica cápsula disipador

ºC/W

Directo 0,25

Directo más pasta de silicona 0,12

Directo más mica más pasta 0,40

Directo más mica 0,80

Page 57: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

49

Con los siguientes datos:

64,14=THJAR ºC/W

80,0=THCDR ºC/W

65,1=THJCR ºC/W (Hoja datos del transistor, Apéndice E)

De la ecuación (3-29) tenemos:

19,1280,065,164,14 =−−=THDAR ºC/W

El disipador debe disipar las pérdidas totales del transistor, aún en el peor

de los casos, esto es con la máxima temperatura de la unión 150=jmáxT ºC y una

temperatura ambiente mayor que la de operación.

Con lo anterior debe cumplirse que la potencia disipada máxima debe ser

mayor que las pérdidas totales del transistor, es decir:

DmáxTot PP < (3-33)

Para el cálculo de la potencia disipada máxima se tiene la siguiente

ecuación:

DATHCDTHJCTH

ajmáx

Dmáx RRR

TTP

++−

= (3-34)

Luego se tiene:

78,419,1280,065,1

80150=

++−

=DmáxP W

Donde se ha tomado la temperatura ambiente con un incremento del

cincuenta por ciento.

Y de la ecuación (3-33):

78,43909,2 =<= DmáxTot PP

cumpliéndose la condición del disipador.

Page 58: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

50

3.3 SIMULACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL BALLAST PARA DOS LÁMPARAS DE 40W

El circuito del ballast para dos lámparas fue simulado con los parámetros

determinados en las sección anteriores. La simulación fue realizada en PSPICE,

para los transistores se utilizó el modelo del BU508, para el transformador de

control se utilizó el modelo NT15-TH50 de Thornton. El listado del programa y el

circuito simulado se muestran en el Apéndice C. A continuación se muestran las

principales formas de onda obtenidas.

En la Figura 3-6 se muestra la forma de onda para la corriente de las

bobinas resonantes en régimen permanente, se puede apreciar aquí que las dos

redes funcionan independientemente una de la otra, con una frecuencia de

conmutación de aproximadamente 47KHZ.

La Figura 3-7 muestra las formas de onda para la tensión colector-emisor

del transistor Q1 y para la corriente por la bobina resonante Lsr1, en régimen

permanente. Se puede apreciar aquí el retraso de la corriente respecto de la

tensión, lo que implica el comportamiento inductivo de la red resonante. La forma

de onda de la tensión se muestra dividida por 300 para poder compararla con la

corriente.

En la Figura 3-8 se muestran las formas de onda para la corriente de

colector y para la corriente de base del transistor Q2 (válidas también para Q1),

en régimen permanente, donde se aprecia el instante en que la corriente de base

se torna negativa y bloquea el transistor. La forma de onda de la corriente de

base se muestra multiplicada por 2 para su mejor apreciación.

En la Figura 3-9 se pueden ver las formas de onda para la tensión en los

secundarios y para la tensión en la bobina de emisor, en régimen permanente.

En la Tabla 3.3 se muestran los principales valores obtenidos por

simulación.

Page 59: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

51

Figura 3-6 Corriente en las bobinas resonantes en régimen permanente.

Figura 3-7 Tensión colector-emisor del transistor Q1 y corriente de la bobinaresonante Lsr1 en régimen permanente

Page 60: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

52

Figura 3-8 Corriente de colector y de base de Q2. Régimen permanente.

Figura 3-9 Tensión en el secundario del transformador de control y tensión enla bobina del emisor. Régimen permanente.

Page 61: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

53

Tabla 3.3 Resultados de la simulación, ballast 2x40W.

Nombre Símbolo Valor

Corriente máxima delcircuito resonante.

iLsr 536,85 mA

Tensión máxima de lossecundarios deltransformador.

VLsec 11,45 V

Tensión máxima de labobina del emisor.

VLe 5,8 V

Corriente de basemáxima.

iB 206,55 mA

Frecuencia deconmutación.

fs 47 KHZ

3.4 CONCLUSIÓN

En este capítulo se realizó el proyecto físico del ballast para alimentar dos

lámparas fluorescentes que trabajan en forma complementaria. Fueron

determinadas las especificaciones tanto para los elementos semiconductores

como para los componentes pasivos.

Una disposición alternativa para los arrollamientos del transformador de

control de los interruptores fue presentada y estudiada.

Las simulaciones demostraron la correcta operación del circuito del ballast

para dos lámparas trabajando en forma complementaria, lo que indica que el

método de cálculo del circuito resonante es efectivo y que la propuesta es

acertada.

Page 62: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

CAPÍTULO 4

PROTOTIPO DEL BALLAST ELECTRÓNICO PARA DOS LÁMPARAS DE40W

4.1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo se presenta el prototipo del ballast electrónico construido

en el laboratorio. Se describen los elementos que lo componen y se muestran las

curvas obtenidas experimentalmente.

4.2 CIRCUITO CONSTRUIDO EN EL LABORATORIO

La Figura 4-1 muestra el diagrama del circuito del ballast para dos

lámparas construido en el laboratorio. Esta topología presenta una variación en

los circuitos de excitación de las bases respecto de los circuitos presentados

anteriormente. Esto, debido a que con el actual circuito de excitación se produce

una mejora en lo que se refiere a la conmutación de los transistores, evitando

una excesiva saturación de los mismos [10].

Respecto de los interruptores se utilizaron dos transistores del tipo

BU508AF.

Para la construcción de las bobinas resonantes se utilizó un núcleo tipo E

de ferrita con las siguientes especificaciones:

Núcleo E30/7-IP6 (Thornton)

80 espiras (cuatro hilos en paralelo 30AWG, para cada espira)

Entrehierro de mica

Inductancia medida 1,28 mH

La inductancia proyectada era de 1,283 mH, así el valor obtenido es

bastante aceptable.

Page 63: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

55

Q1

Csr1

Lsr1

Cpr1

Lamp1DQ1

DQ2

Db1

Rb1

Lsec1

Le1

C1

D1 D3

D2 D4

VsinDp

Diac

Rp

Cp

Rb2

Db2

Q2

Csr2

Lsr2

Cpr2

Lamp2

Db3

Rb3

Lsec2

Le2

Rb4

Db4

n1

n2

Figura 4-1 Circuito del ballast para dos lámparas.

Para los condensadores serie resonantes fue posible conseguir el valor de

proyecto, esto es 33 nF, no así para los condensadores paralelo resonantes los

cuales son de 5,8nF/1200V (el valor de proyecto era de 3,3 nF), sin embargo,

hay que considerar que después del encendido de la lámpara los condensadores

paralelos no tienen gran incidencia en la frecuencia de operación del circuito.

Para el transformador de control de los interruptores se utilizó un núcleo

con las siguientes especificaciones:

Núcleo toroidal NT15-IP6 (Thornton)

Le1, Le2 = 2 espiras

Lsec1, Lsec2 = 4 espiras

Todas las espiras formadas por 4 hilos en paralelo 30 AWG.

En la Tabla 4.1 se muestra el listado de todos los componentes del

circuito.

Page 64: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

56

Tabla 4.1 Componentes del prototipo del ballast.

Componente Descripción

D1, D2, D3, D4 Puente rectificador, Diodos 1N4007

C1 Condensador de filtro 220µF/400V Electrolítico

Rp Resistencia del circuito de partida 330KΩ 1/4W

Cp Condensador del circuito de partida 47nF/630V Cerámico

Dp Diodo del circuito de partida FR104 MIC

Dac Diac del circuito de partida 32V

DQ1, DQ2 Diodos volante FR104 MIC

Q1, Q2 BJT de la etapa inversora BU508AF

Db1,Db2, Db3, Db4 Diodos de la base FR104 MIC

Rb1, Rb3 Resistencias de la base 6,2Ω 1/4W

Rb2, Rb4 Resistencias de la base 12Ω 1/4W

Csr1, Csr2 Condensadores serie resonantes 33nF/200V Cerámicos

Lsr1, Lsr2Bobinas serie resonantes núcleo tipo E,

80 espiras, inductancia medida 1,28mH

Cpr1, Cpr2Condensadores paralelo resonantes 5,8nF/1200V

Cerámicos

Le1, Le2Bobinas del primario del transformador de control,

2espiras

Lsec1, Lsec2Bobinas del secundario del transformador de control, 4

espiras

Lamp1, Lamp2 Lámparas fluorescentes 40W tipo T10-Rs

El sentido de los arrollamientos del transformador de control y su conexión

es determinante en la obtención de la auto-oscilación del circuito. La Figura 4-2

muestra el diagrama de conexión de este transformador en la placa impresa.

Page 65: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

57

n1

n1

n2

n2Le1

Le2

Lsec1Lsec2

A la base de Q1

Al emisor de Q2

Al emisor de Q1

A la base de Q2

Figura 4-2 Esquema de conexión del circuito de comando.

4.3 PLACA IMPRESA DEL CIRCUITO

La placa impresa fue íntegramente confeccionada en el laboratorio, la

disposición de los distintos componentes del circuito en la placa impresa es

mostrada en la Figura 4-3.

El diagrama de conexiones de la placa impresa es mostrado en la Figura

4-4 y en la Figura 4-5 se grafica la disposición de los distintos componentes de la

placa y sus conexiones.

4.4 PRUEBA DEL CIRCUITO

Se hicieron pruebas del circuito en el laboratorio comprobando su correcto

funcionamiento.

Las pruebas fueron las siguientes:

1. Partida del sistema con ambas lámparas.

Page 66: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

58

2. Partida del sistema con una lámpara.

3. Partida del sistema con dos lámparas y luego desconexión de una.

Se pudo comprobar que las lámparas tienen partida instantánea y sin

parpadeo.

Se hizo partir el circuito con ambas lámparas y luego se desconectó una

de ellas observándose que la otra lámpara permanecía en funcionamiento, lo

que verifica la operación complementaria de ellas.

El diagrama de conexiones para el circuito del ballast y las lámparas es

mostrado en la Figura 4-6.

D1 D3

D2 D4

C1

Cp

Diac

Rp

DpQ1

Q2

T1

Db2Rb2

Rb1

Db1

DQ1

Csr1

Lsr1

Cpr1

Lsr2

Csr2

Cpr2

DQ2

Rb4

Rb3

Db3

Db4

68725431

Disipador

Figura 4-3 Placa impresa, disposición de los componentes.

Figura 4-4 Esquema de conexiones de la placa impresa.

C1

Rp

Cp

DpQ2

Q1

DQ1

DQ2

Diac

Le1

Le2

Lsec1

Lsec2

Db2

Db1

Rb1Rb2

Db3

Rb3Rb4

Db4

Csr1

Csr2

Lsr1

Lsr2

Cpr1

Cpr2

134527

8

6

D3D1

D2 D4

B

C

E

B

C

E

Figura 4-5 Vista inferior de la placa impresa.

Page 67: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

59

21

345

78

6

Prototipodel

Ballast

Lámpara

Lámpara

1 2 3 4 5 6 7 8

Figura 4-6 Diagrama de conexiones del prototipo del ballast.

Las principales formas de onda obtenidas experimentalmente se

muestran a continuación.

La Figura 4-7 muestra la corriente en las bobinas resonantes, en régimen

permanente, para el ballast operando con ambas lámparas, donde se puede

observar la operación complementaria de las lámparas. La frecuencia de

conmutación medida fue de 39 KHZ.

La corriente en una de las bobinas resonantes, cuando el circuito opera

con una lámpara en régimen permanente es mostrada en la Figura 4-8, donde se

observa una disminución en la frecuencia de operación que ahora es de 33 KHZ.

Además de lo anterior se puede apreciar un incremento en el valor máximo de la

corriente de la red resonante, debido a la disminución de la impedancia de carga.

La tensión y corriente en una de las lámparas, cuando el circuito opera

con ambas lámparas, en régimen permanente, se muestra en la Figura 4-9,

donde el comportamiento resistivo de la lámpara alimentada en alta frecuencia

puede ser observado.

La Figura 4-10 muestra la tensión en la entrada del circuito resonante

(Vab ó Vbc) y la corriente a través de una de las bobina resonante, donde se

puede apreciar el desfase entre la tensión y la corriente, debido al

comportamiento inductivo del circuito resonante.

Page 68: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

60

Figura 4-7 Corriente en las bobinas resonantes, régimen permanente. Escala:

0.4A/div.

Figura 4-8 Corriente en la bobina resonante, régimen permanente. Escala:

0.4A/div

Page 69: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

61

Figura 4-9 Tensión y corriente en la lámpara, régimen permanente. Escala:

50V/div, 0.8A/div

Figura 4-10 Corriente en la bobina resonante y tensión de entrada al circuito

resonante (Vab). Escala: 100V/div, 0.4A/div.

Page 70: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

62

La Figura 4-11 muestra la tensión inducida en los devanados primarios

del transformador de control, donde se puede apreciar el efecto de la inductancia

de dispersión en la tensión inducida de este transformador, debido a la

conmutación de los transistores.

Figura 4-11 Tensión en el devanado primario del transformador de control,

régimen permanente. Escala: 2V/div.

Page 71: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

63

4.5 CONCLUSIÓN

Fueron presentados en este capítulo los resultados obtenidos

experimentalmente para el prototipo del ballast electrónico para dos lámparas

operando en forma complementar.

De las curvas obtenidas por medio del osciloscopio se pudo comprobar

la operación complementaria de las lámparas fluorescentes (Figura 4-7),

comportamiento observado anteriormente a través de simulaciones digitales.

Si bien las lámparas operan en forma complementaria aún existe una

dependencia entre la operación de ellas, debido al hecho de disminuir la

frecuencia de operación de una de las lámparas al ocurrir la desconexión de la

otra. Esto puede ser apreciado al comparar las curvas de la Figura 4-7, donde el

ballast opera con ambas lámparas, con la curva de la Figura 4-8 en la cual el

ballast opera con una lámpara. Está variación en la frecuencia de conmutación

se debe principalmente a la operación auto-oscilante del circuito. Sin embargo el

ballast se comporta correctamente, lo que indica, tal como las simulaciones lo

mostraron, que el método de cálculo del circuito resonante es efectivo y que la

propuesta es acertada.

Page 72: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

CAPÍTULO 5

PROYECTO DEL BALLAST PARA CUATRO LÁMPARAS DE 20 WATTS; UNABORDAJE POR SIMULACIÓN

5.1 INTRODUCCIÓN

Como fue planteado en el capítulo 2, la forma de operación del ballast

electrónico propuesto hace pensar en la posibilidad de trabajar con más de dos

lámparas. En este capítulo es presentado el proyecto y simulación de un ballast

electrónico operando con cuatro lámparas fluorescentes, dos lámparas en serie

en cada circuito resonante, de 20 W cada una.

5.2 DESARROLLO DEL PROYECTO

El circuito a proyectar se muestra en la Figura 5-1.

Q1

Csr1

Lsr1

Cpr1Lamp1DQ1

Q2DQ2

Csr2

Lsr2

Lamp3

DRb1

Rb1

Le1

Le2

DRb2

Rb2

Cz

C1D1 D3

D2 D4

VsinDp

Diac

Rp1

CpRp2

Ls1

Ls2

Cpr2Lamp2

Cpr3

Cpr4Lamp4

Figura 5-1 Ballast para cuatro lámparas.

Page 73: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

65

5.2.1 Circuito Resonante

Los parámetros de la red resonante serán determinados por medio de las

ecuaciones de proyecto obtenidas en el capítulo 2.

Los datos de la lámpara son los siguientes:

P : 20 W

Iop : 0,38 A

Vig : 450 V

Vop : 58 V

Para el cálculo de los parámetros se asumirá que la red alimenta una

lámpara con el doble de la potencia y tensión, de la lámpara anterior, pero con

igual corriente de operación (ya que las lámparas están en serie), con esto:

P : 40 W

Iop : 0,38 A

Vig : 900 V

Vop : 116 V

E : 310 V

Fs : 50 KHZ

α : 4 (-)

Con estos datos se obtiene:

Lsr : 1,298 mH

Csr : 31,2 nF

Cpr : 5,76 nF

Page 74: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

66

Ahora el valor de cada condensador paralelo resonante debe ser el doble

de Cpr, entonces los parámetros son:

Lsr : 1.298mH

Csr : 31.2nF

Cpr : 11.52nF

Como la potencia total es igual a la del circuito anteriormente proyectado

(80W) los elementos semiconductores podrían seguir siendo los mismos, salvo

el circuito de comando de los transistores, el cual será proyectado a

continuación, debido al aumento en la corriente de operación que podría causar

la saturación del núcleo.

5.2.2 Circuito de Control de los Transistores

El número de vueltas del secundario viene dado por la ecuación (3-17) del

capítulo 3:

b

be

ees R

V

niHmáxn ⋅

⋅⋅−⋅

=2

λ

Sean:

2=en

Ω= 30bR

84,0=besatV V

8,0=Hmáx A-V/Cm

848,3=λ cm

075,12 =⋅= Lspke ii A

Donde opLspk Ii ⋅= 2 corriente máxima a través de la bobina resonante, e

38,0=opI A corriente de operación de la lámpara.

Page 75: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

67

Tenemos:

58,163084,02

2075,1848,38,0 =⋅⋅

⋅−⋅=sn espiras

Tomando un cuarto del valor anterior para no saturar el núcleo tenemos:

4=sn espiras

Recalculando el valor de Rb por medio de la ecuación (3-20) se tiene:

( ) ( )124

2sec +⋅⋅⋅⋅−

= sat

op

besatb

I

VVR β

Considerando los siguientes valores:

Vbesat = 0,84 V Vsec = 10 V

βsat = 5 [-] Iop = 0,38 A

Se tiene:

( )Ω=⋅

⋅⋅⋅−

= 23638.024

84.0210bR

Entonces tenemos:

ne = 2 espiras

ns = 3 espiras

Rb = 23 Ω

Page 76: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

68

5.3 SIMULACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL BALLAST PARA CUATRO LÁMPARAS DE 20W

El circuito de la Figura 5-1 fue simulado en PSPICE usando las mismas

características descritas al comienzo de la sección 3.3. El listado del programa y

el circuito simulado son dados en el Apéndice C. A continuación se muestran las

principales formas de ondas obtenidas por simulación.

En la Figura 5-2 se grafican las formas de onda para las corrientes a

través de las bobinas resonantes, en régimen permanente. Puede observarse

aquí la operación complementaria de ambas redes. La frecuencia de operación

obtenida fue de 45 KHZ.

La Figura 5-3 muestra las formas de onda para la tensión colector-emisor

del transistor Q1 y para la corriente a través de la bobina resonante Lsr1, en

régimen permanente, donde se puede observar el comportamiento inductivo de

la red resonante. La forma de onda de la tensión se muestra dividida por 300

para una mejor comparación.

Figura 5-2 Corriente en las bobinas resonantes en régimen permanente.

Page 77: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

69

Figura 5-3 Tensión colector-emisor del transistor Q1 y corriente por la bobina

resonante Lsr1. Régimen permanente.

En la Figura 5-4 se muestran las formas de onda para la corriente de

colector y para la corriente de base del transistor Q1 (válidas también para Q2),

en régimen permanente, donde se aprecia el instante en que la corriente de base

se torna negativa y bloquea el transistor. La forma de onda de la corriente de

base se muestra multiplicada por 2 para su mejor apreciación.

En la Figura 5-5 se pueden ver las formas de onda para la tensión en los

secundarios y para la tensión en la bobina de emisor, en régimen permanente.

La Figura 5-6 muestra el espectro de frecuencias para la corriente en la

bobina resonante Lsr1 donde se puede apreciar que la frecuencia de conmutación

es de 45 KHZ.

En la Tabla 5.1 se muestran los principales valores obtenidos por

simulación.

Page 78: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

70

Figura 5-4 Corriente de colector y de base de Q1. Régimen permanente.

Figura 5-5 Tensión en el secundario del transformador de control y tensión enla bobina de emisor. Régimen permanente.

Page 79: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

71

Figura 5-6 Espectro de frecuencias para la corriente en la bobina resonante

Lsr1.

Tabla 5.1 Resultados de la simulación, ballast 4x20W.Nombre Símbolo Valor

Corriente máxima del

circuito resonante.iLsr 633,82 mA

Tensión máxima de los

secundarios del

transformador.

Vsec 13,912 V

Tensión máxima de la

bobina del emisor.VLe 6,55 V

Corriente de base

máxima.iB 262,55 mA

Frecuencia de

conmutación.fs 45 KHZ

Page 80: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

72

5.4 CONCLUSIONES

Page 81: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

CAPÍTULO 6

LÍNEA DE PRODUCCIÓN A PEQUEÑA ESCALA DE REACTORESELECTRÓNICOS PARA DOS LÁMPARAS

6.1 INTRODUCCIÓN

Este capítulo tiene como objeto trazar las bases de lo que sería la

planificación de una línea de producción a pequeña escala de reactores

electrónicos, para dos lámparas fluorescentes. Para esto se plantea el caso de

una micro-empresa que llamaremos X, la cual ha decidido producir el prototipo

del ballast electrónico para dos lámparas mostrado en el Apéndice D.

6.2 DE LA EMPRESA EN CUANTO PRODUCTORA

Se explicó anteriormente la intención de la empresa X, de producir ella

misma el prototipo del ballast electrónico propuesto en el Apéndice D.

Cabe entonces analizar, según los criterios de producción que el modelo

exige, las condiciones de la empresa, en cuanto a la producción de reactores

electrónicos.

El análisis contempla puntos tales como: cantidad de reactores a producir,

compra de los insumos, compra de los medios de producción, remuneración de

la mano de obra, obtención de los insumos, de los medios de producción;

existencias de insumos y productos.

6.2.1 De la Cantidad de Ballast a Producir

El volumen de producción es función, principalmente, de la necesidad del

mercado de dichos reactores. La mejor forma de conocer la demanda del

producto es realizar un estudio de mercado. La empresa ha realizado este

Page 82: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

74

estudio y llegó a la conclusión que, para tener una buena participación en el

mercado, debía producir anualmente 1200 ballast.

6.2.2 Valor de los Insumos

Los insumos para la confección del reactor electrónico son prácticamente

componentes electrónicos. En el Apéndice D se describe la composición del

ballast electrónico, mostrándose el circuito eléctrico, los elementos que lo

componen y la disposición de éstos en la placa del circuito impreso.

En este punto lo ideal es realizar una cotización en las principales

empresas productoras de los insumos necesarios, con la finalidad de determinar

la mejor alternativa de compra. La empresa ha realizado esta cotización y llegó a

la conclusión que, para obtener un buen precio, las compras de insumos

deberían efectuarse en cantidades superiores a mil unidades.

La Tabla 6.1 muestra los precios de los componentes (para más de mil

unidades) y el precio total de los componentes del reactor electrónico.

El precio total es de US$ 12,266, conforme se observa en la Tabla 6.1.

La compra de los insumos para 1.200 reactores electrónicos,

corresponde a US$ 14.719,20. Pero los costos no son solamente éstos.

Para calcular la energía eléctrica gastada en la producción de los

reactores durante un año, se considerara el consumo de las máquinas de soldar,

iluminación ambiente y las pruebas de los reactores; suponiéndose dos

máquinas de soldar de 70W (140W), y 8 lámparas de 40W (320W), trabajando

durante 11 meses por año, 8 horas por día (1.840h.), consumirán un total de

846,4KWH/año, lo que corresponde a US$ 101,568.

Considerando ahora, como material de consumo, cinco rollos de cinta

adhesiva de papel, US$ 2,857 la unidad, tenemos US$ 14,285 en total.

Page 83: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

75

El total general de los gastos de energía eléctrica y material de consumo,

es entonces US$ 115,853, más los gastos de los componentes, US$ 14.719,20,

totalizan US$ 14.835,053.

6.2.3 De los Medios de Producción

Partiendo de la base que la producción será hecha por dos empleados, es

preciso adquirir los siguientes equipos: una bobinadora, dos máquinas de soldar,

treinta rollos de soldadura, dos succionadores de soldadura, cuatro alicates de

punta recta, cuatro alicates de corte, cuatro destornilladores 1/8 x 16”, dos

multitested, dos cautines de 70 W, y dos cuchillas pequeñas.

Con respecto a las marcas de las herramientas indicadas arriba, deben

ser las que representen los mejores precios del mercado, no dejando de ser

excelentes herramientas de trabajo.

A través de una consulta de mercado realizada por la empresa, se llegó a

los siguientes precios promedio, mostrados en la Tabla 6.2

El precio total de la compra de los equipos requeridos es por lo tanto de

US$ 1.129,139.

Son necesarios, además, dos mesones completos con sillas y dos

armarios, uno para guardar los productos y el otro para el almacenamiento de los

insumos y de los equipos.

Realizada una cotización se llegó a lo siguiente:

US$ 93,333 – precio promedio de un armario de acero de dos puertas,1,98 x

0,90 x 0,92 metros, con cerradura.

US$ 13,333 – precio promedio de una silla fija sin brazos .

US$ 95,238 – precio medio de los mesones.

Page 84: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

76

El costo total promedio del mobiliario viene dado por:

2 x US$ 93,333 = US$ 186,666

2 x US$ 13,333 = US$ 26.666

2 x US$ 95,238 = US$ 190,476

Total = US$ 403,808

Se desprende de lo anterior que el total de los costos para los medios de

producción, para el perfecto funcionamiento de la producción y su

almacenamiento, es de US$ 1.129,139 de los equipos, más US$ 403,808 del

mobiliario, lo que totaliza US$ 1.532,947.

Tabla 6.1 Precio de los componentes.

ComponentePrecio Unitario

(US$)

Precio Total

(US$)

D1, D2, D3, D4 0,060 0,240

D5, D7, D8, D9, D10, D11, D12 0,008 0,560

D6 0,060 0,060

C1 2,080 2,080

C2 0,200 0,200

C3, C5 0,200 0,400

C4, C6 0,700 1,400

Q1, Q2 1,360 2,720

R1 0,007 0,007

R2, R4 0,007 0,014

R3, R5 0,007 0,014

Toroidal 0,350 0,350

Tr1, Tr2 0,826 1,652

Carrete Tr1, Tr2 0,236 0,472

Disipador 0,079 0,158

Alambre 0,144 0,144

Placa de circuito impreso 1,700 1,700

Aislador de mica 0,057 0,057

Tornillo 3 x 10 mm c/ tuerca 0,019 0,038

Total 12,266

Page 85: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

77

Tabla 6.2 De los precios de los equipos.

EquipoPrecio Unitario

(US$)

Cantidad

(UNID.)

Precio Total

(US$)

Bobinadora 300,000 01 300,000

Máquina de soldar 155,238 02 310,476

Soldadura 6,724 30 201,720

Succionador de

soldadura2,619 03 7,857

Alicate de punta 5,600 04 22,400

Alicate de corte 6,143 04 24,572

destornillador 0,705 04 2,820

Cautín 5,266 02 10,532

Multitested 123,809 02 247,618

cuchilla 0,286 04 1,144

Total US$ 1.129,139

6.2.4 De la Remuneración de la Mano de Obra

La empresa pretende utilizar a dos empleados para la producción de los

reactores electrónicos, uno técnico calificado, electrónico o eléctrico, y el otro un

empleado cualquiera de la empresa, que llamaremos no especializado.

La empresa está dispuesta a pagar US$ 219,048 al técnico calificado,

más un 46% por seguros sociales y otros, lo que da un total de US$ 319,810.

Este valor, multiplicado por los doce meses, da un total de US$ 3.837,720 al año.

Con todo lo anterior se tiene que:

US$ 14.835,053- destinado a la compra de insumos.

US$ 1.532,947. - destinado a la compra de medios de producción.

US$ 3.837,720 - destinado a la remuneración del personal.

US$ 20.205,720 - Total

Page 86: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

78

Esto es, US$ 20.205,720 son utilizados para una producción anual de

1.200 reactores. Tal cantidad se refiere a los costos de producción del proceso.

6.2.5 Tareas del Personal de Montaje

La tarea principal será soldar los componentes a la placa de circuito

impreso, que vienen perforadas y pre-estañadas de la empresa que las

confecciona. Pero existen otras tareas las cuales son: arrollamiento de las

bobinas, prueba de las bobinas y montaje de éstas, a cargo del técnico;

arrollamiento del transformador, fijación de los componentes y disipador, y

también montaje de los reactores a cargo del empleado no especializado.

6.2.6 En Cuanto al Bobinado

El transformador Tr1 (Tr2), debe ser embobinado sobre un carrete de

plástico que acompaña a un núcleo de ferrita.

Para la confección de Tr1 (Tr2), es necesario prender el carrete a la

bobinadora , asegurar el hilo, y a través de una manivela girar el carrete. El

número de vueltas queda registrado mecánicamente en la bobinadora, donde se

verifica la cantidad de espiras (vueltas sobre el carrete) necesarias.

Después de haber sido alcanzado el número de espiras necesario, los

arrollamientos son envueltos con una cinta adhesiva de papel. Es necesario

entonces, pelar las puntas de los hilos, desprendiendo la capa de barniz

industrial, y pre-estañar estas puntas, dejándolas listas para el montaje.

Para el bobinado del transformador toroidal se tiene lo siguiente: no hay

carretel, los hilos son embobinados directamente en el núcleo toroidal de ferrita.

Después de la cuenta del número de espiras, que ahora es manual, se verifica la

exactitud del sentido de los arrollamientos, es preciso cortar y pre-estañar las

puntas de los hilos, para su posterior montaje en la placa.

Page 87: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

79

6.2.7 De la Fijación de los Componentes al Disipador

La baja disipación térmica de los componentes del circuito permite que

sean colocados ambos (Q1 y Q2) sobre el mismo disipador; pero para esto es

necesario aislar ambos componentes para evitar un corto circuito entre ellos.

Los componentes son aislados con una mica y fijados al disipador con

tornillos y tuercas.

La fijación es simple y puede ser descrita de la siguiente manera: primero

se conecta el componente al disipador, haciendo coincidir el orificio del

componente con uno de los orificios del disipador, atravesando un tornillo y

atándolos con una tuerca; luego es necesario colocar un aislador de mica entre

el componente y el disipador y entre el tornillo y el componente, impidiendo así

cualquier contacto eléctrico entre los componentes.

6.2.8 De la Fijación de los Componentes a la Placa de Circuito Impreso

Es preciso que se inicie la unión de soldadura de los componentes de

menor tamaño, pues se hacen difíciles de colocar después de la fijación de los

mayores. Pero es necesario que antes sea mostrado el proceso de soldadura.

Los componentes como los diodos, diacs y resistencias tienen sus

extremos de hilo de cobre, pre-estañado, de manera de prolongar la longitud del

componente para facilitar su manejo, conforme a la Figura 6-1.

En la Figura 6-1 tenemos:

1. Componente

2. Piernas del componente

3. Alicate de punta

4. Componente listo para fijación

5. Placa de circuito impreso

6. Camino de cobre del circuito impreso

7. Islas

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80

8. Soldadura

9. Cautín

10.Soldadura lista

10

9

8

75 6

4

3

2

1

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Figura 6-1 Proceso de fijación de componentes.

Page 89: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

81

Al comienzo es preciso quitar el óxido de las piernas de los componentes,

valiéndose para eso de una cuchilla.

Para fijarlos a la placa de circuito impreso, es necesario utilizar un alicate

de punta, conforme a la Figura 6-1b, para doblar sus extremos, dejándolos a 90º

en relación al componente, conforme la Figura 6-1c.

Las placas de circuito impreso ya vienen pre-estañadas y perforadas,

bastando apenas colocar el componente sobre la serigrafía de la placa en los

agujeros para ello destinados, conforme la Figura 6-1d.

Después de la colocación del componente, basta girar la placa, y colocar,

de acuerdo con la Figura 6-1e, la punta del cautín de un lado y la soldadura del

otro lado de la pierna del componente.

La Figura 6-1f muestra el componente soldado a la placa.

Los demás componentes son radiales, inclusive los transformadores que

fueron preparados, deben asumir el formato radial, o sea, con las piernas

asumiendo un único sentido. Basta entonces pelar los extremos de los hilos y

repetir el proceso de soldadura mostrado anteriormente.

Al principio deben ser soldados los diodos, resistencias y diacs, que son

componentes más pequeños; en seguida deben ser soldados los condensadores

de menor tamaño y después los de mayor tamaño; posteriormente se debe

soldar el transformador toroidal; y por último los componentes más voluminosos.

Después de la unión de estos componentes, la placa de circuito impreso

estará lista.

6.2.9 De la Producción

Se trata en este ítem de los pasos en la producción de los ballast

electrónicos, pudiendo ser utilizado posteriormente, como una guía del proceso

de producción de los reactores.

Para el perfecto funcionamiento de la producción, para el primer año, se

planifica de la siguiente manera la cantidad a ser producida, dados los 1200

Page 90: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

82

reactores anuales: 50 reactores electrónicos en el primer mes, debido al tiempo

de aprendizaje del personal y; 115 reactores mensuales en los restantes 10

meses, cumpliendo así los 1200 reactores anuales.

La producción de 115 reactores en 21 días útiles, en promedio,

mensuales, es perfectamente admisible dado la facilidad de montaje, pero es

necesaria cierta programación de las tareas, esto es, para alcanzar la cuota de

producción deseada es necesario obedecer una secuencia de operación.

Es preciso dar cuenta semanalmente de aproximadamente 27

transformadores del tipo Tr1 y de 27 del tipo toroidal. En segundo plano, y tal vez

acompañado del arrollamiento de los transformadores (Tr1, Tr2 y toroidal) por uno

de los empleados, el otro debe fijar los interruptores Q1 y Q2 a los disipadores,

también en la misma proporción.

En un tercer momento, se inicia el proceso de montaje, y es necesario en

tanto, que cada 5 reactores montados, 2 queden a cargo del técnico

especializado, que deberá realizar las pruebas de estos reactores. Las pruebas

deben ser realizadas preferentemente al final del expediente, después que la

cuota de producción diaria sea realizada. En el caso que el reactor no funcione,

el técnico especializado deberá resolver el problema.

La existencia de una cuota diaria, sirve para motivar la producción, ya que

una vez alcanzada, da una cierta libertad a los empleados. Esta libertad, con el

tiempo, puede ser aprovechada de diferentes formas: o para dar una holgura al

ritmo de trabajo, o para acelerarlo, efectuando una cantidad de montajes mayor

en el mes, disminuyendo la cantidad de montajes en el mes siguiente. En suma,

dando una mayor flexibilidad a la producción, nunca perdiendo de vista, por

supuesto, el obedecer al objetivo de una producción anual de 1200 reactores.

Page 91: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

83

6.3 CONCLUSIÓN

Page 92: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

CONCLUSIONES

En este trabajo fue presentado un método de proyecto para los

componentes del conversor resonante serie-paralelo, para su utilización como

ballast electrónico mejorado respecto de la topología convencionalmente usada.

Se propuso una mejora en la topología convencional, al poder alimentar dos

lámparas que trabajan en forma complementaria desde un mismo ballast.

Se presentó otra alternativa para la estabilización del valor de la

ganancia forzada de los transistores frente a los cambios de temperatura, la cual

consistió en la conexión de una bobina, derivada del transformador de control, en

serie con el emisor del transistor lo que permite minimizar las pérdidas por efecto

Joule que hubiera significado el uso de una resistencia.

Para determinar las ecuaciones de proyecto de los distintos componentes

del circuito resonante, se desarrolló una metodología de análisis basado en las

condiciones que debe cumplir el ballast electrónico.

Se realizó la proyección del circuito propuesto para dos lámparas de

40W, y luego basándose en el hecho que la conexión más común entre las

lámparas, alimentadas por ballast electrónico, es la conexión serie, se desarrolló

el estudio del ballast para alimentar cuatro lámparas de 20W, dos lámparas en

serie en cada circuito resonante.

Fue desarrollado el proyecto físico del ballast para dos lámparas

fluorescentes de 40W sin corrección del factor de potencia, determinándose

todas las especificaciones de los componentes necesarios para su construcción,

presentando una metodología de cálculo para los núcleos magnéticos y para los

disipadores de calor de los interruptores.

Se construyó en el laboratorio el prototipo del ballast sin la etapa de

corrección del factor de potencia y las pruebas preliminares efectuadas

demostraron la operación complementaria de ambas lámparas.

Page 93: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

87

De las curvas obtenidas por medio del osciloscopio se pudo comprobar

la operación complementaria de las lámparas fluorescentes, comportamiento

observado anteriormente a través de simulaciones digitales.

Si bien las lámparas operan en forma complementaria aún existe una

dependencia entre la operación de ellas, debido al hecho de disminuir la

frecuencia de operación de una de las lámparas al ocurrir la desconexión de la

otra. Está variación en la frecuencia de conmutación se debe principalmente a la

operación auto-oscilante del circuito, en otras palabras, cualquier cambio en la

impedancia de carga es reflejado, a través del transformador de control, en el

circuito de base de los interruptores y por ende en la frecuencia de operación del

circuito. Sin embargo el ballast se comporta correctamente, lo que indica, tal

como las simulaciones lo mostraron, que el método de cálculo del circuito

resonante es efectivo y que la propuesta es acertada.

Cabe destacar que durante el transcurso de este trabajo se realizaron

estudios respecto de la posibilidad de corregir el factor de potencia del ballast

propuesto, tópico que no fue tratado en el presente informe debido a la

disponibilidad de tiempo para la construcción de otro prototipo, pero que se deja

como incentivo para un posterior trabajo de investigación.

Como se mencionó en el Capítulo 2 la principal desventaja de esta

topología es la necesidad de un mayor número de bobinas resonantes respecto

de la topología convencional, lo que implica mayor volumen y costo.

Fue realizado en el Capítulo 5 el proyecto del circuito resonante del

ballast para alimentar cuatro lámparas de 20W, dos lámparas en serie en cada

circuito resonante, basado en el circuito del ballast electrónico propuesto. De los

resultados de las simulaciones se puede concluir la correcta operación del

circuito del ballast para cuatro lámparas; alternativa que sería importante seguir

estudiando debido a los beneficios que significa poder alimentar un mayor

número de lámparas fluorescentes con la menor cantidad de ballast posible.

En el capítulo final de este trabajo se presentó un esbozo de lo que sería

la planificación de una línea de producción de ballast electrónico, considerando

Page 94: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

88

para ello una micro-empresa interesada en la producción de éstos. Fueron vistos

en este capítulo los principios básicos de una línea de producción a pequeña

escala del ballast electrónico propuesto. Se trataron los principales puntos a

considerar para la realización de la producción tales como la compra de insumos

y de los medios de producción, describiendo al final la planificación de las tareas

del personal para lograr la meta de producción deseada.

Page 95: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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[4] Melvim C. Cosby, Jr. And R. M. Nelms, “A Resonant Inverter for Electronic Ballast Applications”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 41, Nº 4, August 1994.

[5] Yueh-Ru Yang and Chern-Lin Chen, “Analysis of Self-Excited Electronic Ballast Using BJTs/MOSFETs as Switching Devices”, IEE Proc.-Circuits Devices Syst.,Vol. 145, Nº 2, April 1998.

[6] Robert L. Steigerwald, “A Comparison of Half-Brigde Resonant Converter Topologies”, IEEE Trans. Power Electron., Vol. 3, Nº 2, pp 174-182, April 1988.

[7] M. J. Mahmoud, “Design Parameters for High Frecuency Series Resonance Energy Converters Used as Fluorescent Lamp ElectronicBallast”, EPE Aachen, 1989, pp 367-371.

[8] “Electronic Lamp Ballast Design”, Motorola Semiconductor ApplicationNote, Nº Document AN1543/D.http://www.onsemi.com/pub/collateral/AN-1543-D.pdf

[9] “Efficient Fluorescent Lighting Using Electronic Ballast”, Philips Electronics, Application Note.http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/applicationnotes/APPCHP8.pdf

[10] “An Electronic Ballast: Base Drive Optimisation”, Philips Electronics, Factsheet 046.http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/applicationnotes/FS046.pdf

[11] “The Electronic Control of Fluorescent Lamps”, Motorola Semiconductor, Technical Data, Nº Document AN1049/D.http://www.onsemi.com/pub/collateral/AN-1049-D.pdf

Page 96: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

90

[12] Kasutoshi Mita, Keiichi Shimizu, “ Fluorescent Lamp Model For Circuit Simulation”, International Power electronics Conference, IPEC – Tokyo 2000, pp 796 – 801.

[13] Apuntes del Curso de Electrónica de Potencia, Profesor Dr. Domingo Ruiz Caballero. Publicación interna, UCV.

[14] Ivo Barbi, “Electrónica de Potencia”, 3ª Edición del Autor, año 2000, pp352.

[15] Unitrode, “Switching Regulated Power Supply Desing”, Seminar Manual, 1986.

[16] “Novo Conversor CC-CC Flyback-Push-Pull Alimentado em Corriente:Desenvolvimento Teórico e Experimental, Domingo Ruiz Caballero, Tesisde Doctorado, Universidad Federal de Santa Catarina, Florianópolis-SC,1999, pp 154-155.

[17] Tsai-Fu Wu and Te-Hung Yu, “Off-Line Applications with Single-Stage Converters”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 44, Nº 5, October 1997.

[18] Reynaldo Ramos A., Leopoldo Rodriguez R. Y Domingo Ruiz-Caballero,“Electronic System of Fluorescent Lighting for Two Lamps Operating inComplementary Form”, 6º Congreso Brasileño de Electrónica de Potencia;COBEP 2001, Florianópolis, SC-Brasil, pp 668-672.

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A P É N D I C E A

ANÁLISIS EN EL TRANSITORIO DE PARTIDA DEL CIRCUITO RESONANTESERIE-PARALELO CON FRECUENCIA DE CONMUTACIÓN IMPUESTA

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A-2

APÉNDICE A

ANÁLISIS EN EL TRANSITORIO DE PARTIDA DEL CIRCUITO RESONANTESERIE-PARALELO CON FRECUENCIA IMPUESTA

El circuito por analizar se muestra en la Figura A-1.

Para el análisis se tiene lo siguiente:

• Se considera solamente la fundamental de la componente alterna de la

tensión de alimentación Vab.

• Frecuencia de conmutación impuesta (ωs).

• La lámpara se modela como una resistencia infinita.

Entonces de la Figura A-1 tenemos:

∫+=t

Lsrreq

Lsrsrs dtti

Cdt

tidLtsen

E

0

)(1)(

)()2/(4 ω

π (A-1)

Dondeprsr

prsrreq CC

CCC

+= Capacitancia resonante equivalente.

x

y

( )tùsen2E

ð4(t)V sab ⋅⋅

⋅=

LsrCsr

Cpr ∞→RLampVab(t)ILsr

Figura A-1 Circuito equivalente de la red resonante para el análisis en eltransitorio de partida.

Page 99: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

A-3

Derivando la ecuación (A-1) respecto del tiempo y ordenando tenemos

)cos()

)2/(4(

)()( 2 tL

E

titi ssr

s

LsrotLsr ωω

πω

=+′′ (A-2)

Dondereqsr

otCL ⋅

= 1ω es la frecuencia de resonancia del transitorio de

partida.

Aplicando Transformada de Laplace, con las condiciones iniciales

0)0()0( ==′ LsrLsr ii , se tiene:

( ) ( )2222

))2/(4

()(

sotsr

s

Lsrss

s

L

EsI

ωω

ωπ

+⋅+= (A-3)

Separando en fracciones parciales

2222)(

sotLsr

s

DCs

s

BAssI

ωω +++

++= (A-4)

Donde ( ) 0;))2/(

4(

22==

−=−= DB

L

ECA

otssr

s

ωω

ωπ

Se tiene:

( )

+

−+

⋅−

=222222

)2/(4

)(sototssr

s

Lsrs

s

s

s

L

E

sIωωωω

ωπ

(A-5)

Page 100: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

A-4

Aplicando la Transformada inversa de Laplace tenemos:

( ) ( ))cos()cos()2/(

4

)(22

ttL

Eti sot

otssr

s

Lsr ωωωω

ωπ −⋅

= (A-6)

Aplicando relaciones trigonométricas y ordenando:

( )

×+

⋅−

= )2

)(()

2

)((

4

)(22

tsen

tsen

L

E

ti sotsot

sotsr

s

Lsr

ωωωωωω

ωπ (A-7)

∫=t

Lsrpr

Cpr dttiC

tv0

)(1

)( (A-8)

Luego:

−⋅

−=

s

s

ot

ot

otsprsr

s

Cpr

tsentsen

CL

E

tvω

ωω

ωωω

ωπ )()(

)(

)4

()(

22 (A-9)

Donde:

E : Tensión de alimentación

ωs : Frecuencia de conmutación impuesta

ωot : Frecuencia de resonancia en el transitorio de partida

Lsr : Inductancia serie resonante

Cpr : Capacitancia paralelo resonante

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A P É N D I C E B

ANÁLISIS DEL CIRCUITO RESONANTE SERIE PARALELO CON TENSIÓNDE ENTRADA RECTANGULAR. RÉGIMEN PERMANENTE;

FUENTE DE CORRIENTE [7]

Page 102: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

B-2

APÉNDICE B

ANÁLISIS DEL CIRCUITO RESONANTE SERIE PARALELO CON TENSIÓNDE ENTRADA RECTANGULAR. RÉGIMEN PERMANENTE;

FUENTE DE CORRIENTE [7]

Para el análisis en régimen permanente se tiene lo siguiente:

• Se considera solamente la fundamental de la componente alterna de la

tensión de alimentación Vab.

• La lámpara se considera como una resistencia.

En la Figura B-1 se representa el equivalente Thèvenin del circuito de la

Figura A-1 del Apéndice A, donde:

+−

−=

pr

Csr

Cpr

Lsr

abth

x

x

x

x

vv

1

(B-1)

( )

+−

−−=

Cpr

Csr

Cpr

Lsr

CsrLsrth

x

x

x

x

xxjz

1

(B-2)

x

y

Vth

Zth

IL

RLamp Vop

Iop

+

-

Figura B-1 Equivalente Thèvenin del circuito de la Figura A-1, en los puntosx-y.

Page 103: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

B-3

La corriente de carga viene dada por:

( )CsrLsrCpr

Csr

Cpr

Lsrlamp

ab

Lampth

thL

xxjx

x

x

xR

v

Rz

vI

−−

+−

−=

+=

1

(B-3)

El objetivo principal del ballast es ser un elemento limitador de corriente,

por lo tanto, debemos encontrar el valor de los parámetros xLsr, xCsr y xCpr para

hacer que la corriente de carga iL sea independiente de RLamp.

Con lo anterior

01 =

+−

Cpr

Csr

Cpr

LsrLamp x

x

x

xR (B-4)

CreqCsrCprLsr xxxx =+= (B-5)

Donde

prsr

prsrreq CC

CCC

+⋅

= (B-6)

La ecuación (B-5) se cumple para:

reqsr CL ⋅= 1ω (B-7)

Para esta frecuencia se tiene que:

Page 104: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

B-4

CsrLsr

abopL xx

vII

−== (B-8)

La ecuación (B-8) nos da la magnitud de la corriente en el circuito,

independiente de la resistencia de la lámpara.

Page 105: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

A P É N D I C E C

CIRCUITO SIMULADO Y LISTADO DEL PROGRAMA

Page 106: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

C-2

APÉNDICE C

CIRCUITO SIMULADO Y LISTADO DEL PROGRAMA

A continuación se presenta el esquema y el listado del programa del

circuito simulado en el Capítulo 3.

El circuito simulado se muestra en la Figura C-1.

Listado del programa:

Ballast_Electrónico

*Ballast Electrónico Auto-Oscilante Implementado

*con BJT.

*2x40W,113V.

*Frecuencia de conmutación proyectada 50KHZ

*Noviembre 2000.

*Descripción del circuito.

*Fuente de alimentación

Vsin 1 2 sin(0 310 50 0 0 0)

*Puente rectificador

D1 1 3 D1N4007

D2 0 1 D1N4007

D3 2 3 D1N4007

D4 0 2 D1N4007

*Filtro de entrada

C1 3 0 230uF ic=310

*Pulso de Partida

Igen 0 13 PULSE(500u 300m 0 1u 1u 5u 30)

*Inversor

Q1 3 8 9 BU508

DQ1 9 3 MUR150

Le1 9 6 2

Cz 3 9 0.5nF

Page 107: UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE …

C-3

Q2 6 13 14 BU508

DQ2 14 6 MUR150

Le2 0 14 2

*Control del inversor

Lsec1 7 6 4

Lsec2 0 12 4

Rb1 8 7 25

DRb1 8 7 MUR105

Rb2 13 12 25

DRb2 13 12 MUR105

*Acoplamientos

K1 Lsec1 Lsec2 Le1 Le2 0.9999999 nt15

*Circuitos resonantes

Csr1 3 4 31.6nF ic=0

Lsr1 5 6 1.283mH ic=0

Csr2 6 10 31.6nF ic=0

Lsr2 11 0 1.283mH ic=0

Cpr1 4 5 4.03nF ic=0

Cpr2 10 11 4.03nF ic=0

*Cargas

Rlamp1 4 5 326.5 ;resistencia de lámpara 1

Rlamp2 10 11 326.5 ;resistencia de lámpara 2

*Otros parámetros

.MODEL nt15 core(A=29 AREA=0.15125 C=0.066488

+ K=21 MS=445000 PATH=3.848)

.LIB C:\Msim_8\lib\nom.lib

.TRAN 500ns 1.5ms 0 0.5us UIC

.PROBE

.end

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C-4

Q1

Csr1

Lsr1

Cpr1DQ1

Q2DQ2

Csr2

Lsr2

Cpr2

DRb1

Rb1

Le1

Le2

DRb2

Rb2

Cz

C1D1 D3

D2 D4

Vsin

Igen

R lamp1

Rlamp2

11

1 2

3 4

5

6

78

10

1213

14

9

0

Lsec2

Lsec1

Figura C-1 Circuito simulado en el Capítulo 3.

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A P É N D I C E D

DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO A PRODUCIR EN PEQUEÑA ESCALA

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D-2

APÉNDICE D

DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO A PRODUCIR EN PEQUEÑA ESCALA

Se muestra en este ítem la composición del ballast electrónico, su circuito

eléctrico y la disposición de estos componentes en la placa del circuito impreso.

Q1

C3

Tr1

C4D7

D10

D8

R2

n3n1

C1D1 D3

D2 D4

D5

D6

R1

C2

R3

D9

Q2

C5

Tr2

C6

D11

R4

n4

n2

R5

D12

1

2

3

4

5

6

7

8

2 31 4 6 75 8

F

N

Figura D-1 Diagrama eléctrico del ballast electrónico.

En la Tabla D.1 se muestran los componentes del reactor electrónico de

alto factor de potencia.

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D-3

Tabla D.1 Relación de componentes del ballast electrónico 2x40

Referencia Componente

D1, D2, D3, D4 1N4007

D5, D7, D8, D9, D10, D11, D12 FR104MIC

D6 Diac 32V

C1 220uF/400V Electrolítico

C2 47nF/630V Cerámico

C3, C5 33nF/200V Cerámico

C4, C6 5.8nF/1200V Cerámico

Q1, Q2 BU508AF

R1 330KΩ - ¼ W

R2, R4 12Ω - ¼ W

R3, R5 6Ω - ¼ W

n1, n2, n3, n4 Núcleo Toroidal de Ferrita

Tr1, Tr2 Inductor– núcleo E-30/7

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D-4

En la Figura D-2 se muestra en detalle la posición de los componentes en

la placa impresa.

D1 D3

D2 D4

C1

Cp

Diac

Rp

DpQ1

Q2

T1

Db2Rb2

Rb1

Db1

DQ1

Csr1

Lsr1

Cpr1

Lsr2

Csr2

Cpr2

DQ2

Rb4

Rb3

Db3

Db4

68725431

Disipador

Figura D-2 Vista de la placa impresa.