sistemas electrÓnicos para iluminaciÓn · circuitos integrados comerciales para soluciones con y...
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UNIVERSIDAD DE OVIEDO
Sistemas Electrónicos para iluminación
UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades
SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓN
CIRCUITOS DE CONTROL COMERCIALES
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Sistemas Electrónicos para iluminación
UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades
Alimentación en Baja frecuencia (50 Hz) Tensión y corriente por la lámpara
tensión
corriente
Equivalente BF
220 V
50 Hz
Reactancia
Condensador de
compensación Lá
mp
ara
CebadorTensión
Corriente
•Demanda de corriente no senoidal• Distorsión de corriente elevada• Rendimiento bajo 60%• Circuito equivalente (lámpara) dos zener en anti-serie.• Número de encendidos 10.000
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Corriente
Tensión
Potencia
Cs
Cp
L
36 W
311 V
Fdis = 40 KHz
Alimentación en Alta frecuencia (>10kHz) Tensión y corriente por la lámpara
• Demanda de corriente no senoidal (sin corrección del factor de potencia) (Filtro por condensador).• Distorsión de corriente elevada.• Rendimiento alto (90%), aumenta la eficiencia luminosa (10%).• Comportamiento (lámpara) tipo resistivo.• Número de encendidos superior a 100.000.
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Soluciones en alta frecuencia alimentadas desde red sin corrección del factor de potencia
Rectificador FiltroBaja
FrecuenciaBalasto
Inversor alta
frecuenciaLámparaRed
Q1
Q2 LR
CRLampara
220V 50Hz
Red
Topología Básica
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Soluciones en alta frecuencia alimentadas desde red sin corrección del factor de potencia
BalastoInversor LámparaFiltro
EMI
Circuito de
arranque
Control de
flujo
luminoso
Red
Rectificador
y
PFC
Filtro
de baja
frecuencia
Red
220V
50Hz
Q1
Q3
Q2
LR
CRRL
1 : n
Tensión deentrada
Corrientede entrada
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Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia
Circuitos Integrados INTERNATIONAL RECTIFIER IR:
Basados en un driver para inversor en medio puente resonante
- IR2110 Driver para el control de dos transistores Inversor Medio Puente - IR2111 Driver para el control de dos transistores Inversor Medio Puente- IR2153, IR21531, IR2155 Driver Auto-Oscilante para Medio Puente- IR21571 Circuito integrado de control completo para balasto Electrónico- IR2167 Circuito integrado de control completo para balasto Electrónico, con corrección del factor de potencia- IR53h(D)420(-P2) Driver Auto - Oscilante para medio punte con transistores integrados.
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Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia
Q 1
Q2
CR
Lampara
220V 50Hz
Red
LR
CS
C
O
N
T
R
O
L
311 V
VE
Solución sin corrección del factor de potencia
Driver
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VBUS
Fdis
Vs
+
-
Vs
tdT
T
Vm
dVmVDC
)2sen( dnn
VmAn
)2cos(1 dnn
VmBn
HH
DC tnBntnAnVtVs11
)(sen)(cos)(
DESARROLLO DE FOURIER
iBAV nnSn
))arg((sen)(1
Sn
H
SnDCS VtnVVtV
ESTUDIO CON COMPLEJOS
Cs
Cp
L
RL
VE1
APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO
EJEMPLO:
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Vs
tdT
T
UMAX
Cs
Cp
L
RL
VE1
APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO
Vm = 311 V
Fdis = 40 KHz
Vs
+
-
APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO
2
Um
t
2
Um4
t
tsen2
Um4U1
tsen2
Um4
2
Um)t(Us
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Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia
Circuitos Integrados:
IR2110 driver para el control de dos transistores Inversor Medio Puente
- Primeros drivers para Mosfet
- Introducir pulsos de entrada con el tiempo muerto
- Tensión del bus de continua 500 - 600 V
- Corriente para los Mosfet 2A
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Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia
Circuitos Integrados:
IR2111 driver para el control de dos transistores Inversor Medio Puente
- Introducir pulso de entrada (genera el tiempo muerto)- Tensión del bus de continua 600 V- Corriente para los Mosfet 200/420mA
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Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia
Circuitos Integrados:
IR2153, IR21531, IR2155 driver Auto-Oscilante para Medio Puente
- Genera los pulsos de control (RT y CT) Tabla - Tensión del bus de continua 600 V- Corriente para manejar el circuito de puerta de los Mosfet 200/420mA- Ofrece señal de control digital para cortar pulsos de salida.
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TT CRf
)(. 15041
1
Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia
IR2155 driver Auto-Oscilante para Medio Puente
Diagrama en bloques del 2155 Frecuencia de oscilación
OSCILADOR
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Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia
IR2155 driver Auto-Oscilante para Medio Puente
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Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia
IR2155 driver Auto-Oscilante para Medio Puente
Frecuencia variable
Condensador serieCondensador paralelo
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IR53H(D)420(-P2) driver Auto-Oscilante para Medio Puente
Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia
Incorpora dos transistores mosfetGenera los pulsos de control (RT y CT) Tabla Tensión del bus de continua 600 VCorriente para manejar el circuito de puerta de los Mosfet 200/420mAOfrece señal de control digital para cortar pulsos de salida.
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Fácil construcciónMuy pocos componentes
CS
CP
LP
Lámpara
Circuito Resonate LCParalelo
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IR53H(D)420(-P2) driver Auto-Oscilante para Medio Puente
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Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia
Circuitos Integrados:
IR21571 Circuito integrado de control completo para balasto Electrónico
- Driver- Programable tiempo y frecuencia de rampa de encendido, precalentameintoy cebado de la lámpara, tiempo muerto.- Protecciones: lámpara rota, reencendido, tensión baja del bus de continua.sobrecorriente
Encapsulado DIP 16
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Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia
Encapsulado DIP 20
Circuitos Integrados:
IR2167 Circuito integrado de control completo para balasto Electrónico, con corrección del factor de potencia
- Driver- Etapa CFP basada en un elevador trabajndo en la frontera modo continuo-discontinuo- Programable tiempo y frecuencia de rampa de encendido, precalentameintoy cebado de la lámpara, tiempo muerto.- Protecciones: lámpara rota, reencendido, tensión baja del bus de continua.
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Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia
Convertidor elevador CFP
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EJEMPLO
Diseño de un inversor resonante para un tubo fluorescente de 36 W, desde un bus de continua de 311 V. (Tensión de red rectificada Filtro por condensador)
Datos tubo: (Facilitados por el Fabricante)
Rnom = 270 Vtubo = 98.6 V Itubo = 365 mA
Icaldeo = 600 mA
frecuencia diseño = 40 KHz
Cs
Cp
L
36 W
311 V
Fdis = 40 KHz
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Cs
Cp
L
RL
VE1
APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO
APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICOTensión y corriente en la lámpara.
f
FRS
FRP
Tensión MáximaRL =
CorrientemáximaRL = 0
RL
Fdis
FCALDEO
Vs
Is
S
RSCL
F
2
1
PS
PS
RP
CC
CCL
F
2
1
Us
Is
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EJEMPLO 1:
f
FRS
FRP
Tensión MáximaRL =
CorrientemáximaRL = 0
RL
Fdis
FCALDEO
Vs
Is
S
RSCL
F
2
1
PS
PS
RP
CC
CCL
F
2
1
CALDEO DE FILAMENTOS ( 1.3 FRP)
ARRANQUE
NOMINAL ( 0.8 FRP)
TENSIÓN DE CEBADO
REGIÓN DE COMPORTAMIENTO INDUCTIVO(CONMUTACIÓN FORZADA)
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EJEMPLO 1: CALDEO DE FILAMENTOS
fFRS FRP
RL
Fdis FCALDEO
TENSIÓN EN LA LÁMPARA DURANTE EL CALDEO
CS
CP
L
FILAMENTOS
IFIL
mAICALDEO 600
RMSCALDEO VV 300
RPCALDEO FF 3.1
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APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO
Analisis y Calculo del circuito resonante paralelo.
Cs
Cp
L
RL
VE1
APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO
1
LAS
V
VM Tensión de salida normalizada
Armónico fundamental
Tensión en la lámpara
B
LAP
Z
RQ
)1(MQ SP
R
BR
f2
ZL
BR
RZf2
1C
2
U4
V
max
1
RS C10C
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PARA TENER EN VACÍO TODA LA TENSIÓN DE CEBADO EN EL CONDENSADOR
CP EL CONDENSADOR CS DEBE SER MAYOR QUE EL CP TOMAREMOS:
PS CC 10
C
C+
-
+ -1 KV1 KV C
+
-
+ -
1 KV100 V
10 C
PS CC 10PS CC
APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO
Analisis y Calculo del circuito resonante paralelo.
Criterio de elección del condensador serie
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IL ICP
CP
VTUBOITUBO
ICP
IL
CONDICIÓN DE DISEÑO
En funcionamiento, la corriente por el condensador CP debe sermenor que la corriente nominal del tubo para no cargar elfilamento.
En realidad cuanto mas pequeña mejor.
Pero no se puede eliminar CP porque es necesario para cebar eltubo en su frecuencia de resonancia.
Generalmente se ajusta la corriente de caldeo que indica elfabricante de la lámpara
DISTUBO
TUBOP
fV
IC
2
APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO
Analisis y Calculo del circuito resonante paralelo.
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APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO
Analisis y Calculo del Circuito Resonante Paralelo.
Efectuados las cálculos el valor de los elementos del circuito resonante son:
Los datos de diseño son anterior:
Datos tubo: (Facilitados por el Fabricante)
Rnom = 270 Vtubo = 98.6 V
Icaldeo = 600 mA Itubo = 365 mA
frecuencia diseño = 40 KHz
Tensión de Entrada
Tensión de entrada: RED (220v 50Hz)
Tensión del Bus: 311 V (tensión rectificada. Fltro por condesador)
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APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO
Analisis y Calculo del circuito resonante paralelo.
RLA
CR
LR
CS
VLAV
1V
E
311 V
VE V
1
198 V
V1
140 V
1.52mH
10.42nF
120nF
270
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Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia
Diseño del 21571
Ejemplo típico
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Diseño del 21571Estados de
Funcionamiento y protecciones
Secuencia de arranque del C.I.
2
3
5
Patillas
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Diseño del 21571
Secuencia de Arranque:
- El transistor P3 saturado
- El transistor P5 cortado
- La tensión en la patilla 6 es undiente de sierra cuyo tiempode subida depende de lacorriente por que circula porla patilla 4. El tiempo de bajada(tiempo muerto) se obtiene decon la resistencia RDT (graficoadjunto). La frecuencia de estaseñal es la frecuencia deconmutación- Esto se mantiene hasta queVCPH<4V
Saturado
Cortado
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- Para el cálculo de las frecuencias de funcionamiento tenderemos que calcular el equivalente thevenin desde la patilla 4.
- Finicio la Req paralelo de RPH//RSTART//RT
- El valor de esta frecuencia comienza a disminuir (hasta que se carga el condensador CSTART)
-A partir de este instante la frecuencia de funcionamiento es la de precalentamiento fPH y viene determinada por el paralelo de las resistencias RPH//RT
- Esto se mantiene hasta que tensión en el condensador CPH (patilla 2) alcanza 4V
RTD
RRUN
RPHRT
CSTART
RSTART
Cing
CPH
2
3
4
5
6
CT
TransistorSaturado
TransistorCortado
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Diseño del 21571
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TIEMPO MUERTO = 1 S
CT = 1 nF RDT=1.2 K
2V
15V
VLO
VHO
15V
VCT
Tiempo muerto(Dead Time)
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Tensión de salida para los transistores
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Diseño del 21571
Cartado
Saturado
- Cuando la tensión estácomprendida entre 4V < VCPH <5.1V comienza la rampa deencendido
- El transistor P3 está cortado
- El transistor P5 está saturado
- La frecuencia disminuye hastaque se carga el condensador CING
- Cuando la tensión en elcondensador CPH supera 5.1V lafrecuencia de oscilación en lafrecuencia Run o frecuencia defuncionamiento. (fRUN)
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RTD
RRUN
RPHRT
Cing
CPH
2
3
4
5
6
CT TransistorSaturado
TransistorCortado
- Circuito equivalente durante el precalentamiento
-Cuando la tensión está comprendida entre 4V <VCPH < 5.1V comienza la rampa de encendido
- El transistor P3 está cortado
- El transistor P5 está saturado
- La frecuencia disminuye hasta que se carga elcondensador CING
- Cuando la tensión en el condensador CPH supera5.1V la frecuencia de oscilación en la frecuenciaRun o frecuencia de funcionamiento. (fRUN)
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Diseño del 21571
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INICIOCALDEO
ARRANQUERUN
Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia
Diseño del 21571
Finicio = 100kHz
FCaldeo = 63kHz
Fmínima = 30kHz
FRun = 40kHz
Las frecuencias defuncionamiento elegidasson:
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Protección de tensión mínima de
bus VDC
3V – 5.1 V
3V 5.1V Ve
VSon
off
Protecciones de lámpara y circuito automático de reencendido
En la información facilitada por el fabricante y taly como se puede deducir el circuito, hasta que latensión no supera los 5.1V el circuito no oscila.Como toda la circuitería de control tiene unahistéresis que en este caso es de 2V
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Protecciones de lámpara y circuito automático de reencendido
La protección de shutdown P9 sirve para parar y rearrancar el oscilador puede detectar la presencia de lámpara o filamento de la misma deteriorado.
Tal y como se puede ver en el las gráficas facilitadas por el fabricante cuandola tensión en la patilla 9 (SD) supera los 2V deja de oscilar y protege elcircuito de sobre tensiones debidas al funcionamiento en vacio
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Cuando no hay lámpara o el filamento está roto, la tensión en la patilla 9supera los 2V y por lo tanto el circuito deja de oscilar. En este esquema semuestra también la protección de la tensión de alimentación en la patilla 13.Cuando la tensión pasa por debajo de 11.4V, el circuito también deja deoscilar.
Protecciones de lámpara y circuito de alimentación
Tensión de alimentación 11.4V (mínima)
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Circuito de alimetación BOMBA DE CARGA - BOOTSTRAP
CHARGE-PUMP
Apoyo para la alimentación desde el bus de continua
BOOTSTRAP
Alimentación flotante para el transistor Q1.
El condensador CBOOTt se carga a través del diodo DBOOT
cuando el transistor Q2 conmuta.
Alimentación desde el bus de continua
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Protecciones de lámpara y circuito de alimentación
La patilla CS se utiliza para detectarcondiciones de fallos como:
- Fallo de encendido- Sobrecorriente- Conmutación Dura- Funcionamiento sin lámpara- Funcionando por debajo de
frecuencia de resonancia- Las protecciones están pensadas de laforma siguiente:
En función de la resistenciaROC, el valor de tensión positiva vienedado por la ecuación:
El Valor de la tensión negativa tiene queestar por debajo de 0.2V sincronizadocon la entrada en conducción deltransistor. Esto se hace así para limitarla conmutación dura y limitar ZVSconmutación a corriente cero.
OC6
CS R1050V
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Protecciones de lámpara y circuito de alimentación
OC6
CS R1050V
Tensión en la resistencia ROC
Diagrama de bloques interno del funcionamiento de las protecciones
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Circuito de alimetación BOMBA DE CARGA – BOOTSTRAPDiseño de la placa de C.I.
A la hora de diseñar la placa de CI esimportante reducir en lo posible la longitud delas pistas. Tal y como se puede ver en eldiseño de la placa de CI tanto el condensadorde Bootstarp CBoot como el de alimentaciónCVCC, están pegados a las patillas del CI
Otro aspecto importante a la hora de diseñaruna placa de CI es la situación de la masa delcircuito. La masa debe estar lo más cercaposible de los puntos de retorno de masa parareducir la máximo los posibles ruidos que supuedan inducir.
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Hojas de características y Notas de Aplicación
http://www.irf.com/product-info/lighting/
- Componentes electrónicos para iluminación
-Notas de aplicación de los componentes de IR
- Programa software para el diseño de balalastosFluorescent Lighting SolutionsHalogen Lighting SolutionsHID Lighting SolutionsSelector Guide
Pagina web de International Rectifier:
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