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Sistemas Electrónicos para iluminación SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓN CIRCUITOS DE CONTROL COMERCIALES UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Alimentación en Baja frecuencia (50 Hz) Tensión y corriente por la lámpara Reactancia •Demanda de corriente no senoidal • Distorsión de corriente elevada • Rendimiento bajo 60% • Circuito equivalente (lámpara) dos zener en anti-serie. • Número de encendidos 10.000 220 V 50 Hz Tensión Condensador de compensación Lámpara Corriente Cebador Equivalente BF tensión corriente UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Alimentación en Alta frecuencia (>10kHz) Tensión y corriente por la lámpara Potencia Cs 311 V Tensión L Corriente 36 W Cp Fdis = 40 KHz • 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. UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Soluciones en alta frecuencia alimentadas desde red sin corrección del factor de potencia Rectificador Red Filtro Baja Frecuencia Inversor alta frecuencia Q2 Balasto Lámpara LR Red 220V 50Hz Q1 CR Lampara Topología Básica UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Soluciones en alta frecuencia alimentadas desde red sin corrección del factor de potencia Red Filtro EMI Rectificador y PFC Filtro de baja frecuencia Inversor Balasto Lámpara Tensión de entrada Corriente de entrada Control de flujo luminoso Circuito de arranque Q3 Red 220V 50Hz 1:n Q1 UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial LR Manuel Rico Secades Q2 CR RL UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación 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. UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia C O N T R O L Red 220V 50Hz Q2 CS Q1 LR CR Lampara VE Driver 311 V Solución sin corrección del factor de potencia UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación EJEMPLO: DESARROLLO DE FOURIER Vs Vm VBUS + 1 1 T Fdis An t dT - RL Vm sen(2 nd ) n Vm 1 cos(2 nd ) n ESTUDIO CON COMPLEJOS Bn APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO L Cs Cp H VDC Vm d Vs VE1 H Vs (t ) VDC An cos (n t ) Bn sen (n t ) VSn An Bn i H VS (t ) VDC VSn sen (n t arg(VSn )) 1 UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO Vs Vm = 311 V + UMAX Us( t ) Vs Fdis = 40 KHz - Um 4Um sent 2 2 t dT T Um 2 t APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO L Cs VE1 Cp 4 Um 2 RL t U1 UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades 4Um sent 2 UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación 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 UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación 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 UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación 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. UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación 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 f OSCILADOR UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Frecuencia de oscilación Manuel Rico Secades 1 1.4 (RT 150) CT UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia IR2155 driver Auto-Oscilante para Medio Puente UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia IR2155 driver Auto-Oscilante para Medio Puente Condensador serie Condensador paralelo Frecuencia variable UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia IR53H(D)420(-P2) driver Auto-Oscilante para Medio Puente Incorpora dos transistores mosfet 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. UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia IR53H(D)420(-P2) driver Auto-Oscilante para Medio Puente Fácil construcción Muy pocos componentes CS LP Lámpara CP Circuito Resonate LC Paralelo UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación 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, precalentameinto y cebado de la lámpara, tiempo muerto. - Protecciones: lámpara rota, reencendido, tensión baja del bus de continua. sobrecorriente Encapsulado DIP 16 UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia 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 continuodiscontinuo - Programable tiempo y frecuencia de rampa de encendido, precalentameinto y cebado de la lámpara, tiempo muerto. - Protecciones: lámpara rota, reencendido, tensión baja del bus de continua. Encapsulado DIP 20 UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia Convertidor elevador CFP UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación 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 311 V Cs L 36 W Cp Fdis = 40 KHz UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO Tensión y corriente en la lámpara. FRP Vs VE1 L Is Cp RL C C 2 L S P CS C P Tensión Máxima RL = APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO Cs 1 RL FRS Us Fdis Corriente máxima RL = 0 FCALDEO FRP FRS 1 2 L CS Is UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO f Sistemas Electrónicos para iluminación EJEMPLO 1: REGIÓN DE Vs COMPORTAMIENTO INDUCTIVO (CONMUTACIÓN FORZADA) FRS TENSIÓN DE CEBADO Tensión Máxima RL = FRP 1 2 L CS 1 C C 2 L S P CS C P RL FRS Fdis FRP Corriente máxima RL = 0 f CALDEO DE FILAMENTOS ( 1.3 FRP) ARRANQUE NOMINAL ( 0.8 FRP) Is UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial FCALDEO Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación EJEMPLO 1: CALDEO DE FILAMENTOS TENSIÓN EN LA LÁMPARA DURANTE EL CALDEO VCALDEO 300 VRMS RL FRS CS L Fdis FRP FCALDEO f FCALDEO 1.3 FRP IFIL CP I CALDEO 600 mA FILAMENTOS UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO Analisis y Calculo del circuito resonante paralelo. APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO Cs VE1 L Cp Tensión en la lámpara VLA MS V1 RL V1 RLA QP ZB QP MS ( 1) UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial 4 Tensión de salida normalizada Armónico fundamental Umax 2 ZB LR 2 fR CR 1 2 fR ZB CS 10 CR Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO Analisis y Calculo del circuito resonante paralelo. PARA TENER EN VACÍO TODA LA TENSIÓN DE CEBADO EN EL CONDENSADOR CP EL CONDENSADOR CS DEBE SER MAYOR QUE EL CP TOMAREMOS: CS 10 CP C + - + 1 KV + 1 KV - CS C P - 10 C C 100 V C + 1 KV - CS 10 CP Criterio de elección del condensador serie UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO Analisis y Calculo del circuito resonante paralelo. CONDICIÓN DE DISEÑO IL ICP En funcionamiento, la corriente por el condensador CP debe ser menor que la corriente nominal del tubo para no cargar el filamento. CP En realidad cuanto mas pequeña mejor. IL ICP ITUBO Pero no se puede eliminar CP porque es necesario para cebar el tubo en su frecuencia de resonancia. VTUBO Generalmente se ajusta la corriente de caldeo que indica el fabricante de la lámpara CP UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades I TUBO VTUBO 2 f DIS UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación 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 Tensión de Entrada Tensión de entrada: RED (220v 50Hz) Tensión del Bus: frecuencia diseño = 40 KHz UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades 311 V (tensión rectificada. Fltro por condesador) UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO Analisis y Calculo del circuito resonante paralelo. CS LR 120nF 1.52mH VE CR VLA V1 10.42nF VE V1 V1 311 V 198 V 140 V UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades RLA 270 UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia Diseño del 21571 Ejemplo típico UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia Estados de Diseño del 21571 Funcionamiento y protecciones Secuencia de arranque del C.I. Patillas 2 3 5 UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia Diseño del 21571 Secuencia de Arranque: - El transistor P3 saturado - El transistor P5 cortado - La tensión en la patilla 6 es un diente de sierra cuyo tiempo de subida depende de la corriente por que circula por la patilla 4. El tiempo de bajada (tiempo muerto) se obtiene de con la resistencia RDT (grafico adjunto). La frecuencia de esta señal es la frecuencia de conmutación - Esto se mantiene hasta que VCPH<4V UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Saturado Cortado Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia CPH Diseño del 21571 - Para el cálculo de las frecuencias de funcionamiento tenderemos que calcular el equivalente thevenin desde la patilla 4. Cing RT - Finicio la Req paralelo de RPH//RSTART//RT - El valor de esta frecuencia comienza a disminuir (hasta que se carga el condensador CSTART) RSTART 2 3 RPH Transistor Saturado 4 RRUN CSTART 5 -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 Transistor CT Cortado 6 RTD - Esto se mantiene hasta que tensión en el condensador CPH (patilla 2) alcanza 4V UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia TIEMPO MUERTO = 1 S CT = 1 nF RDT=1.2 K VCT 2V VLO 1 5V VHO 1 5V Tiempo muerto (Dead Time) Tensión de salida para los transistores UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia Diseño del 21571 - 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 Cartado Saturado - La frecuencia disminuye hasta que se carga el condensador CING - Cuando la tensión en condensador CPH supera 5.1V frecuencia de oscilación en frecuencia Run o frecuencia funcionamiento. (fRUN) UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial el la la de Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia CPH Diseño del 21571 - Circuito equivalente durante el precalentamiento -Cuando la tensión está comprendida entre 4V < VCPH < 5.1V comienza la rampa de encendido 2 Cing RT - El transistor P3 está cortado 3 Transistor RPH Cortado 4 - El transistor P5 está saturado RRUN - La frecuencia disminuye hasta que se carga el condensador CING 5 - Cuando la tensión en el condensador CPH supera 5.1V la frecuencia de oscilación en la frecuencia Run o frecuencia de funcionamiento. (fRUN) UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades CT Transistor Saturado 6 RTD UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia Diseño del 21571 Las frecuencias de funcionamiento elegidas son: INICIO CALDEO ARRANQUE RUN Finicio = 100kHz FCaldeo = 63kHz Fmínima = 30kHz FRun = 40kHz UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Protecciones de lámpara y circuito automático de reencendido Protección de tensión mínima de bus VDC VS 3V – 5.1 V on off 3V 5.1V Ve En la información facilitada por el fabricante y tal y como se puede deducir el circuito, hasta que la tensión no supera los 5.1V el circuito no oscila. Como toda la circuitería de control tiene una histéresis que en este caso es de 2V UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación 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 cuando la tensión en la patilla 9 (SD) supera los 2V deja de oscilar y protege el circuito de sobre tensiones debidas al funcionamiento en vacio UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Protecciones de lámpara y circuito de alimentación Tensión de alimentación 11.4V (mínima) Cuando no hay lámpara o el filamento está roto, la tensión en la patilla 9 supera los 2V y por lo tanto el circuito deja de oscilar. En este esquema se muestra 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 de oscilar. UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuito de alimetación BOMBA DE CARGA - BOOTSTRAP 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. UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial CHARGE-PUMP Apoyo para la alimentación desde el bus de continua Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Protecciones de lámpara y circuito de alimentación La patilla CS se utiliza para detectar condiciones de fallos como: - Fallo de encendido - Sobrecorriente - Conmutación Dura - Funcionamiento sin lámpara - Funcionando por debajo de frecuencia de resonancia - Las protecciones están pensadas de la forma siguiente: En función de la resistencia ROC, el valor de tensión positiva viene dado por la ecuación: VCS 50 10 6 ROC El Valor de la tensión negativa tiene que estar por debajo de 0.2V sincronizado con la entrada en conducción del transistor. Esto se hace así para limitar la conmutación dura y limitar ZVS conmutación a corriente cero. UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Protecciones de lámpara y circuito de alimentación Diagrama de bloques interno del funcionamiento de las protecciones Tensión en la resistencia ROC VCS 50 10 6 ROC UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Circuito de alimetación BOMBA DE CARGA – BOOTSTRAP Diseño de la placa de C.I. Otro aspecto importante a la hora de diseñar una placa de CI es la situación de la masa del circuito. La masa debe estar lo más cerca posible de los puntos de retorno de masa para reducir la máximo los posibles ruidos que su puedan inducir. A la hora de diseñar la placa de CI es importante reducir en lo posible la longitud de las pistas. Tal y como se puede ver en el diseño de la placa de CI tanto el condensador de Bootstarp CBoot como el de alimentación CVCC, están pegados a las patillas del CI UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación Hojas de características y Notas de Aplicación Pagina web de International Rectifier: 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 balalastos Fluorescent Lighting Solutions Halogen Lighting Solutions HID Lighting Solutions Selector Guide UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades UNIVERSIDAD DE OVIEDO
