Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema...

Ponentes: Marco Antonio Dalla CostaGustavo Ariel Barbera

13 a 18 de Febrero de 2012

Sistema Electrónicos para Iluminación

Día 3 Lámparas de Alta Intensidad de Descarga (HID)

SUMARIO

Lámparas HID:

Vapor de Mercurio

Vapor de Sodio

Halogenuros Metálicos

Etapas de Operación de Lámparas HID

Resonancias Acústicas

Balastos Electrónicos para Lámparas HID

PRINCIPALES LÁMPARAS HID

Lámpara de Mercurio de Alta Presión.

Lámpara de Vapor de Sodio.

Lámpara de Halogenuros Metálicos.

LÁMPARAS DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN

Mercúrio em Alta Pressão (HPM)

IRC 55 %

Vida Útil 15.000 horas

Eficiência Luminosa 50 lm/W

Lámpara de Mercurio de Alta Presión.

Lámpara de Vapor de Sodio.

Lámpara de Halogenuros Metálicos.

ENERGIA[eV]

10365 313 297

546 436 405

ENERGÍA DE EXCITACIÓN

NIVELES DE ENERGÍA SIMPLIFICADOS DEL ÁTOMO DE MERCURIO

DOMINANTEULTRAVIOLETA

ÁTOMO DE MERCURIO

AL AUMENTAR LA PRESIÓN EN LA LÁMPARA DE MERCURIO AUMENTA DE FORMA MUY IMPORTANTE EL RENDIMIENTO LUMINOSO

P [Pa]1 104102 106

60APARECEN LÍNEAS DE EXCITACIÓN DENTRO DEL ESPECTRO VISIBLE

COMPRENDE 3 TIPOS BÁSICOS DE LÁMPARAS:

- VAPOR DE MERCURIO PROPIAMENTE- VAPOR DE MERCURIO CON COLOR CORREGIDO- VAPOR DE MERCURIO LUZ MEZCLA

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN

LAS LÁMPARAS DE VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN (VMAP) TRABAJAN ENTRE 2 - 4 BARES CARECE DE EMISIÓN EN EL ROJO Y PRESENTA UNA MALA REPRODUCCIÓN CROMÁTICA (IRC = 25).

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN COLOR CORREGIDO IRC =60

LA INCORPORACIÓN DE SUSTANCIAS FLUORESCENTES PARA APROVECHAR LA LUZ ULTRAVIOLETA PRODUCIDA Y CONVERTIRLA EN ROJA, DA LUGAR A LAS LÁMPARAS DE VAPOR DE MERCURIO DE COLOR CORREGIDO.

MEJORA LA CALIDAD DE LA LUZ, PUDIENDO LLEGAR A IRC = 60 (ACEPTABLE)

FÓSFOROSROJOS.FLUOROGERMANATODE MAGNESIO

1.- ARRANCAN CON TENSIONES MUY BAJAS (LEY DE PASCHEN). NO NECESITAN ARRANCADOR DESDE RED.

2.- PRECISA DE TIEMPOS DE 4-5 MINUTOS HASTA ALCANZAR EL EQUILIBRIO DE FUNCIONAMIENTO

DENSIDADDE VAPOR DE MERCURIO

TEMPERATURA

PRESIÓN

Ts = TEMPERATURA DE SATURACIÓN

UNA VEZ SE HA LLEGADO AL EQUILIBRIO SE ALCANZAN PRESIONES Y TEMPERATURAS MUY ELEVADAS EN EL TUBO DE DESCARGA.

P del orden de 2. 105 hasta 20 . 105 PaT del orden de 630 K (357 ºC)

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA LÁMPARAS DE VMAP

¡ CUIDADO CON ROTURAS Y EXPLOSIONES DEL TUBO DE DESCARGA!

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA LÁMPARAS DE VMAP

3.- LA CORRIENTE DURANTE LA FASE DE CALENTAMIENTO PUEDE LLEGAR A 2-3 VECES LA DE FUNCIONAMIENTO NORMAL (DURANTE ESTA FASE LA LÁMPARA ES UNA RESISTENCIA MUY PEQUEÑA).

4.- LA TEMPERATURA DE COLOR ES INTERMEDIA 3500 - 4500 K (CON FÓSFOROS)

5.- LA VIDA MEDIA PUEDE LLEGAR HASTA LAS 25.000 HORAS

6.- LA EFICIENCIA LUMINOSA PUEDE LLEGAR HASTA LOS 60 Lm/W

7.- LOS ENCENDIDOS EN CALIENTE SON COMPLICADOS, YA QUE LA PRESIÓN EN EL TUBO ES ELEVADA (PUEDE REQUERIR VARIOS KV).

HABITUALMENTE EL CIRCUITO REINTENTA EL ENCENDIDO HASTA QUE LA LÁMPARA ENFRÍA (DISMINUYE LA PRESIÓN).

BALASTO

ELECTRODOAUXILIAR

RESISTENCIADE ARRANQUE ELECTRODOS

PRINCIPALES

TUBO DE CUARZO

LA DESCARGA SE INICIA EN EL ELECTRODO AUXILIAR PROPORCIONANDO SUFICIENTES ELECTRONES PARA INICIAR LA DESCARGA ENTRE LOS DOS ELECTRODOS PRINCIPALES

BALASTO CONVENCIONAL PARA LÁMPARAS DE VMAP

ELECTRODO AUXILIAR

RESISTENCIADE ARRANQUE

TUBO DE CUARZO

ELECTRODOS PRINCIPALES

LÁMPARA DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN

AMPOLLA EXTERIOR CON RECUBRIMIENTO DE FRUOROGERMANATO DE MAGNESIO (FOSFORO ROJO)

SOLO MEDIA LÁMPARA (LÁMPARA DE PRUEBA)

LÁMPARA DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN DE COLOR CORREGIDO

FILAMENTOINCANDESCENTE

SE USA COMO BALASTO UN FILAMENTO INCANDESCENTE QUE APORTA EL COLOR ROJO NECESARIO Y REALIZA LAS FUNCIONES PROPIAS DE LIMITAR LA CORRIENTE EN FUNCIONAMIENTO.

- MEJORA EL TIEMPO DE CALENTAMIENTO (1-2 MINUTOS)

- LAS FLUCTUACIONES DE LA RED AFECTAN A LA VIDA DEL FILAMENTO.

- TEMPERATURA DE COLOR 3600 K

- IRC = 60 (ACEPTABLE)

- VIDA MEDIA 6.000 HORAS (BAJA BASTANTE)

- EFICIENCIA LUMINOSA DEL ORDEN DE 30 Lm/W

- NO NECESITA BALASTO

LÁMPARA DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN CON LUZ MEZCLA

350 400 450 500 550 600 650 700 750

LÁMPARA DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN CON LUZ MEZCLA

FILAMENTOINCANDESCENTE

LÁMPARA DE VMAP CON LUZ MEZCLA PANASONIC

1.- EL 90% DE LA RADIACIÓN SE PRODUCE EN LA BANDA 589 - 589,6 nm (AMARILLO).ES LA LÁMPARA MAS EFICAZ DE TODAS LAS FUENTES DE LUZ QUE EXISTEN.

2.- LA TEMPERATURA EN EL TUBO DE DESCARGA ES MUY ELEVADA (DEL ORDEN DE LOS 260 ºC)

3.- LOS ELECTRODOS NO SON PRECALENTADOS (ARRANQUE EN FRIO) POR LO QUE REQUIERE UNA TENSIÓN DE CEBADO BASTANTE ELEVADA (400 - 600 V).

SON LÁMPARAS GRANDES

LÁMPARAS DE VAPOR DE SODIO EN BAJA PRESIÓN

350 400 450 500 550 600 650 700 750

ESPECTRO TÍPICO DE UNA LÁMPARA DEVAPOR DE SODIO DE BAJA PRESIÓN (VSBP)

- TIENEN UNA EFICACIA LUMINOSA MUY ELEVADA DE HASTA 183 lm/W

- DURACIÓN DEL ORDEN DE 6000 HORAS

- EL ÍNDICE DE REPRODUCCIÓN CROMÁTICA ES MUY MALO (AMARILLO PRÁCTICAMENTE PURO)

- LA LUZ MONOCROMÁTICA ACENTÚA LOS CONTRASTES Y LAS FORMAS SE PERCIBEN MEJOR. (IMPORTANTE PARA VIALES CON NIEBLA)

ESTRUCTURA LÁMPARA VSBP

TUBO DE DESCARGA DOBLADO

SODIO EN FRIÓ DEPOSITADO EN FORMA DE GOTITAS

ELECTRODOS

AMPOLLAEXTERIOR(PROTECCIÓN Y FILTRO IR)

¡CUIDADO TIENEN POSICIÓNDE FUNCIONAMIENTO!

- ES IMPORTANTE REDUCIR LA RADIACIÓN DE CALOR DEL TUBO DE DESCARGA AL MÍNIMO PARA ASEGURAR SU LA TEMPERATURA DE FUNCIONAMIENTO ÓPTIMA (260 ºC).

- LA AMPOLLA EXTERIOR SUELE LLEVAR FILTROS INFRARROJO (EMISIÓN MÁXIMA SOBRE 5.500 nm - CUERPO NEGRO A 260 ºC).

- EL SODIO ES MUY ACTIVO CON LA MAYOR PARTE DE LOS CRISTALES (SE USAN CRISTALES ESPECIALES DE BORATO EN EL TUBO DE DESCARGA).

- LA PRESIÓN ÓPTIMA DE TRABAJO ES DE 0.4 Pa (260 ºC):

SI ES DEMASIADO BAJA NO TENEMOS SUFICIENTE ÁTOMOS DE SODIO PARA SER EXCITADOS

SI ES DEMASIADO ALTA SE PRODUCE ABSORCIÓN DE LA LÍNEAS DE RESONANCIA DEL SODIO Y SE REDUCE LA EFICIENCIA.

COMENTARIOS LÁMPARA VSBP

TENSIÓNDE

ENCENDIDO[V]

ARGÓN EN NEÓN [%]

MEZCLA PENNING

GAS AUXILIAR DE ARRANQUE EN LÁMPARAS VSBP

DENSIDADDE VAPOR DE SODIO

TEMPERATURA

PRESIÓN

1012 atomos Na/mm3

LAS LÁMPARAS DE VSBP CONTIENEN MUCHO MAS SODIO DEL QUE SE NECESITA PARA ALCANZAR LA PRESIÓN DE VAPOR DE SATURACIÓN.(NO ALCANZAN NUNCA LA SATURACIÓN)

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS LÁMPARAS VSBP

1.- TARDAN EN ALCANZAR EL RÉGIMEN TÉRMICO DESPUÉS DEL ARRANQUE UNOS 15 MINUTOS.

2.- SIN EMBARGO LA RESISTENCIA DURANTE LA FASE DE CALENTAMIENTO ES SIMILAR A LA DE RÉGIMEN PERMANENTE (NO HAY SOBRECORRIENTES DURANTE ESTA FASE)

3.- LA TENSIÓN DE ENCENDIDO ES DEL ORDEN DE 400-600 V EN FRIÓ. PUDIENDO LLEGAR HASTA VARIOS kV EN CALIENTE.

4.- LA TENSIÓN DE ARCO (LA RESISTENCIA DE LA LÁMPARA) CRECE A LO LARGO DE LA VIDA DE LA MISMA.

5.- A PESAR DE TODO, EL FLUJO LUMINOSO ES MUY ESTABLE.

50 25K 400KFRECUENCIA

RENDIMIENTOLUMINOSO[%]

LA EFICIENCIA LUMINOSA DE LA LÁMPARAS DE VSBP INICIALMENTE DECRECE CON LA FRECUENCIA DE EXCITACIÓN PARA POSTERIORMENTE AUMENTAR.

PARA OBTENER BENEFICIOS DE RENDIMIENTO LUMINOSO ES NECESARIO SUBIR POR ENCIMA DE LOS 100 KHz

ASPECTOS DE SEGURIDAD CON LAS LÁMPARAS DE VSBP

EL SODIO REACCIONA VIOLENTAMENTE CON EL AGUA PRODUCIENDO SODA CÁUSTICA (HIDRÓXIDO DE SODIO) E HIDROGENO.

¡¡¡MUCHO CUIDADO CON LAS ROTURAS DE ESTAS LÁMPARAS (INCLUSO SIN CONECTAR)!!!

ANIMACIÓN:PEQUEÑA CANTIDAD DE SODIO EN AGUA

FOTO:GRAN CANTIDAD DE SODIO EN AGUA

LAS LÁMPARAS VSAP SON DE DESARROLLO RECIENTE.

PROBLEMA: EL SODIO A ALTA PRESIÓN Y TEMPERATURA ES ALTAMENTE AGRESIVO.

LA OPTIMA PRESIÓN DE VAPOR NECESARIA ES MENOS QUE EN EL CASO DEL MERCURIO Y EN SATURACIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR DE SODIO.

SE REQUIERE AMPLIA SEPARACIÓN DE LOS ELECTRODOS PARA TENER UNA TENSIÓN ADECUADA.

LÁMPARAS DE VAPOR DE SODIO EN BAJA PRESIÓN

1 10 100 1.000 10.000PRESIÓN EN EL TUBO DE DESCARGA

100.000

RENDIMIENTOLUMINOSO[%] BAJA

PRESIÓN

ALTA PRESIÓN

ESTÁNDAR (IRC 20)IRC 60

IRC 80

VSAP:EVOLUCIÓN DEL RENDIMIENTO LUMINOSO Y DEL ESPECTRO CON LA PRESIÓN EN EL TUBO DE DESCARGA

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

VSAPIRC=80

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

VSAPIRC=60

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

VSAPIRC=20

T=2.000K

T=2.150K

T=2.500K

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LA LÁMPARA DE VSAP

1.- TEMPERATURA DE COLOR CÁLIDA (ENTRE 2.000 - 2.200 K)

2.- IRC DEPENDIENTE DEL MODELO (ENTRE 20 - 80)

3.- VIDA MEDIA DE HASTA 24.000 HORAS

4.- EFICACIA LUMINOSA DE HASTA 130 lm/W

5.- NO TIENEN PRÁCTICAMENTE ULTRAVIOLETA

ANILLO DE ARRANQUE PARA FACILITAR EL CEBADO

TUBO DE DESCARGA(T HASTA 1.000 ºC)

"OXIDO DE ALUMINIOSINTERIZADO"

EL TUBO DE DESCARGA CONTIENE UNA AMALGAMA DE SODIO (ALEACIÓN DE SODIO Y MERCURIO) JUNTO AL GAS NOBLE HABITUAL

LÁMPARAS VSAP

350 400 450 500 550 600 650 700 750

VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN IRC 23

HPS 150 W

VSAPIRC=20

350 400 450 500 550 600 650 700 750

VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN IRC=60

HPS 150 W

VSAPIRC=60

350 400 450 500 550 600 650 700 750

VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN IRC=80

HPS 150 W

VSAPIRC=80

VSAP: RE-ENCENDIDO EN CALIENTE

400 600 800 1.000200TEMPERATURA [K]

TENSIÓNDE ENCENDIDO[KV]

REQUIERE TENSIONES DE ENCENDIDO ELEVADAS EN CALIENTE

0 1 2 3 4 5 6

Tiempo de enfriamiento (min)

)VSAP 70 W

VSAP: DETALLE DE LA EVOLUCIÓN DE LA TENSIÓN DE ENCENDIDO CON EL TIEMPO DE ENFRIAMIENTO

90 - 95 Rla

Pla VSAP 70W Osram

LÁMPARA DE VSAP: RESISTENCIA EQUIVALENTE EN ALTA FRECUENCIA(VARIA POCO CON LA POTENCIA)

12 % Fluctuación(medida experimental sobre 5 lamp.

Mazda, Osram and Philips)

VSAP 70W

LÁMPARA DE VSAP: DIFERENCIAS ENTRE FABRICANTES

Rla120 90 180

Nueva 5.000 H 10.000 H

Efecto del envejecimiento

VSAP 70 W

La resistencia aumenta al envejecer la lámpara

DR DR varía dependiendo de la lámpara y puede ser mayor de 100%

LÁMPARA DE VSAP: ENVEJECIMIENTO

- ESTÁN DERIVADAS DE LAS DE VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN Y SE LES HAN INCORPORADO ADITIVOS METÁLICOS PARA MEJORAR LA CALIDAD DE LA LUZ

- NO EXISTE ELECTRODO AUXILIAR DE ENCENDIDO.

- REQUIEREN TENSIONES DE CEBADO ELEVADAS (ENTRE 1.5 Y 5 KV).

- SE PRECISA UN ARRANCADOR ELECTRÓNICO.

- LA FASE DE CALENTAMIENTO PUEDE DURAR DE 3 A 10 MINUTOS

LÁMPARAS DE HALOGENUROS METÁLICOS

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

HALOGENUROS METÁLICOS TALIO Y TIERRAS RARAS

EXISTEN VARIOS ADITIVOS:DISPROSIO Y TALIO, SODIO Y ESCANDIO, TALIO Y TIERRAS RARAS.

- LA DURACIÓN ES DE UNAS 6000 HORAS.- LA EFICIENCIA LUMINOSA PUEDE LLEGAR HASTA LOS 80 Lm/W- LA TEMPERATURA DE COLOR PUEDE ESTAR ENTRE 3.000 Y 5.500 K DEPENDIENDO DEL ADITIVO EMPLEADO

HALOGENUROS METÁLICOS

IRC 90

FLUORESCENTE

IRC 85LÁMPARA DE MERCURIO

IRC 45

LA CALIDAD DE LUZ Y EL ÍNDICE DE REPRODUCCIÓN CROMÁTICA OBTENIDA CON ESTAS LÁMPARAS ES EXCELENTE

LÁMPARA DE MH CON ELECTRODOS A AMBOS LADOS PARA RE-ENCENDIDO INSTANTÁNEO CON ALTAS TENSIONES

ELECTRODOSDE RE-ENCENDIDO

LÁMPARA MH PARA ESTUDIO DE TELEVISIÓN

VARIOS TIPOS DE LÁMPARA MH

Lâmpara HID:

Vácuo

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID

Cebado

Calentamiento

Régimen Permanente

Tensión Elevada: 3kV p/ Lámpara fría30kV p/ Lámpara caliente

Ancho de pulso controlado: mínimo 1µs (normativa)

Fase crítica para balastos electrónicos: corriente elevada y tensión reducida.

Comportase como una resistencia.Cuidado: característica dinámica.

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID

Pulso de sobretensión;

Reducción de la tensión;

Modificación de las propiedades del gas de ignición.

Fornecer energía para que los electrodos atinjan la temperatura correcta de emisión;

Inercia en la variación de temperatura de los electrodos;

Transporte de energía pequeño;

Reducción de la vida útil de la lámpara.

Ruptura del gas

Transición para un arco estable

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO

CORRIENTE

TENSIÓNCORRIENTE DE SATURACIÓN(DESCARGA OSCURA)

TENUE LUMINOSIDAD

DESCARGA LUMINICENTE

RUPTURA

DESCARGA DE ARCO

1.- En la zona de descarga de arco se debe limitar la corriente (zona de resistencia negativa)

2.- Para ayudar a iniciar la descarga, se introducen gases inertes o una mezcla de gases (mezcla Penning)

3.- La tensión de ruptura depende de varios factores: geometría, presión del gas, temperatura ambiente, etc

TENSIÓN DE RUPTURA

Los gases que forman la descarga son buenos aislantes. Para iniciar la descarga se introducen gases inertes.

Ne + 0.1% Ar

PRESIÓN

TENSIÓN DERUPTURA

MEZCLA PENNING

400 600 800 1.000200

TEMPERATURA [K]

TENSIÓNDE CEBADO[kV]

0 1 2 3 4 5 6

Tempo de enfriamiento (min)

) HPS 70 W

Por pulso de tensión;

Con condensador auxiliar;

Filtro LCC resonante. Spark Gap;

SIDAC;

Condensador;

Filtro LCC.

Tipos de cebado

Topologías Estudiadas

Cebado por Pulso de Tensión

IGNITOR SERIE PARA HPS Y MHL3-5 kV - 3 PULSOS DE 50 S EN CADA CICLO

IGNITOR SERIE PARA HPS Y MHL3-5 kV DURANTE 50 S

Spark Gap / Sidac:

Facilidad de operación;

Circuito auxiliar simple;

Coste elevado.

Condensador auxiliar:

Circuito simple;

Influencia en la salida.

Cebado con Condensador Auxiliar

Filtro LCC resonante:

Gaño de tensión elevado en el cebado;

Menor tensión para partida de la lámpara;

Gaño de tensión adecuado en régimen permanente;

Metodología de proyecto fácilmente encontrada en la literatura;

Corriente elevada nos interruptores durante el cebado.

Cebado con Filtro LCC Resonante

FASE DE CALENTAMIENTO La temperatura del tubo aumenta y los metales se vaporizan; El proceso sigue hasta que se atinge el equilibrio; La tensión de arco en esta fase es pequeña.

Formas de Onda Experimentales de la Etapa de Calentamiento – MHL 35W (20V/div; 0,2A/div; 20s/div).

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CALENTAMIENTO

Lámparas HID: RFRIA = 10%-20% RCALIENTE

90 - 95 Rla

Pla HPS 70W Osram

Resistencia varía poco con la potencia.

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID – RÉGIMEN PERMANENTE

85 90 95.5

12 % flutuacción(medida experimental sobre 5 lamp.

Mazda, Osram and Philips)

HPS 70W

Diferencias entre fabricantes.

Efecto del envejecimiento.

Rla120 90 180

Nueva 5.000 H 10.000 H

Efecto del envejecimiento

VSAP 70 W

La resistencia aumenta al envejecer la lámpara

DR DR varía dependiendo de la lámpara y puede ser mayor de 100%

Efecto del envejecimiento.

Lámparas HID: RVIEJA = 200% RNUEVA

ALIMENTACIÓN DE LÁMPARAS HID

Baja frecuencia Balastos Magnéticos Ruido audible Parpadeo Re-encendido disminuye la vida útil de la lámpara Pesado y voluminoso Bajo coste Fiabilidad

Alta frecuencia Balastos Electrónicos No presenta ruido audible No presenta parpadeo de la luz Aumento de la vida útil de la lámpara Volumen y peso reducidos Posibilidad de comunicación y otros recursos Coste elevado Baja fiabilidad Resonancias Acústicas

Comportamiento en Frecuencia

Baja frecuencia (50 Hz – 60 Hz)Comportamiento no lineal

Alta frecuencia (10 kHz – en adelante)Comportamiento resistivo

Balasto Electrónico Convencional para FL

EstabilidadPotenciaRegulaciónControl, MonitorizaciónProtecciones ...

Rectif. / Filtro EMI

Inversor HF

PFC / Bus DC

Bus DCEstabilidad

Variación periódica de la potencia en la lámpara;

Consecuencias:

Alteración del coloy y parpadeo;

Destruición del tubo de descarga.

Resonancia Acústica

Resonancia Acústica (RA)Tensão

Corrente

Potência

Ejemplo de Resonancia Acústica (RA)

Disturbio en la descarga de arco;

Causa;

Consecuencias:

Cambio en el color;

Parpadeo;

Rompimiento del tubo de descarga.

Frecuencia natural del tubo Frecuencia de Alimentación

Frecuencia Natural del tubo

Aspectos físicos del tubo de descarga:

Geometría:

Presión;

Temperatura.

Envejecimiento;

Frecuencia Natural del tubo

Cambio en la energía de activación

Nuevas frecuencias de resonancia

Las oscilaciones de presión son dadas por la siguiente ecuación de

onda acústica simplificada en el dominio del tiempo:

Condición de contorno:

Coordenadas del tubo de descarga:

Predicción Teórica

En este sistema de coordenadas, la solución de la ecuación de onda es:

De las condiciones de contorno:

Frecuencias de resonancia para un tubo de descarga cilíndrico:

Compuestos

Radial

Longitudinal

Azimutal

Principales

Radial

Longitudinal

Azimutal

Resonancias

Segundo OrdenPrimer Orden

Resonancias ÓrdenesPrimer Orden

Órdenes Superiores

Compuestos

Longitudinal

Azimutal

Principales

Radial

Tercer Orden

Frecuencia

Distribución Espectral

Compuestos

ÓrdenesPrimer Orden

Longitudinal

Azimutal

Principales

Radial

Órdenes Superiores

Resonancias

Energía de Activación

Distribución Espectral

Compuestos

ÓrdenesPrimer Orden

Longitudinal

Azimutal

Principales

Radial

Órdenes Superiores

Resonancias

Energía de Activación

Frecuencia

Considerando un tubo de descarga de L=5mm y R=2,5mm, con C=500m/s

Cómo definir la amplitud de la RA? Cuál el valor umbral que excita la

RA? Cómo el envejecimiento de las lámparas afecta la RA?

Representación gráfica de las RA teóricas

Los métodos de análisis de RA pueden ser divididos en:

Excitación

Detección

La excitación puede ser clasificada en:

Excitación en potencia nominal (Laskai, IAS 1997)

Excitación en pequeña señal

Arriba del límite superior, 270kHz, (Olsen, IAS 1997)

Abajo del límite inferior, 60Hz, (Olsen, IAS 1998)

Métodos de caracterización de RA existentes

Las RA causan perturbaciones en baja frecuencia (0-80Hz) en los

parámetros de las lámparas. Así, los métodos de detección pueden ser

clasificados en:

Detección de parámetros eléctricos:

Corriente de la lámpara (Qian, APEC 1999)

Tensión de la lámpara (Hsiao, IAS 2003)

Resistencia de la lámpara (Hui, PESC 2001)

Potencia de la lámpara (García, Ph.D. Thesis 2003)

Detección de parámetros físicos de la lámpara:

Parpadeo en la luz emitida (Olsen, IAS 1997 y 1998)

Métodos de caracterización de RA existentes

- Potencia nominal en CC,

excitación en pequeña señal.

- Detección por fotodiodo.

- Distintos envejecimientos: 100,

2500, 5000 y 7500 horas.

- Temperatura controlada en

33ºC.

x%ilamp

Método de caracterización con CC propuesto

Parámetros:

Lámparas (5 muestras)

Philips Master Colour CDM-T 35W

(35W/830)

Osram Powerstar HCI-T 35W/WDL

Envejecimientos: 100, 2500, 5000 y

7500 horas

Rango de frecuencias: 0 a 200kHz

Paso de frecuencias: 100Hz

Parámetros de los ensayos de CC

Ejemplos de los mapas de resonancia obtenidos

Ensayo I Ensayo IV

- Potencia nominal en CA,

excitación en pequeña señal.

- Detección por fotodiodo.

- Distintos envejecimientos: 100,

2500, 5000 y 7500 horas.

- Temperatura controlada en 33oC.

Método de caracterización con onda cuadrada propuesto

ConvertidorDC/DC

ConvertidorDC/AC

Lámpara+

Arrancador

Control de Corriente o Potencia

PRE-REGULADOR

CONTROLDE

POTENCIAINVERSOR

Diagrama de Bloques Típico

¿Cuánto rizado se puede permitir?

Balastos de onda cuadrada de baja frecuencia

ConvertidorCC/CC

MCC MCD

Rizado Magnéticos

Rizado C

C Estabilidad

zsKsZL

Balastos de onda cuadrada de baja frecuencia

Parámetros:

Lámparas (5 muestras)

Philips Master Colour CDM-T 35W

(35W/830)

Osram Powerstar HCI-T 35W/WDL

Envejecimientos: 100, 2500, 5000 y

7500 horas

Rizados inyectados: 5, 10, 20 y 30%

Rango de frecuencias: 0 a 200kHz

Paso de frecuencias: 100Hz

Parámetros de los ensayos de OCBF

• Los valores de frecuencia de RA no cambian significativamente

con el envejecimiento.

• En general, el umbral de excitación de las RA disminuye con el

envejecimiento.

• No se han detectado RA con rizados de hasta 5%.

• Las RA son muy intensas en este tipo de lámpara.

• Los mapas obtenidos son una herramienta muy importante en

el diseño de balastos electrónicos.

Conclusiones sobre los ensayos de resonancia

Región de baja frecuencia (f<1kHz):

RA no ocurre;

Región de alta frecuencia (1kHz<f<1MHz):

RA pode ocurrir de forma destructiva;

Frecuencias de RA dependen de la lámpara;

Región de extra-alta frecuencia (f>1MHz):

RA no ocurre de forma destructiva;

Proyecto del balasto es complejo (EMI y pérdidas).

Resonancia Acústica (RA)

Operación en una ventana libre de RA.

Resonancias Teóricas

PotenciaInstantánea

Y. Koshimura, et al.“Several Ways for Stabilizing HID Lamps Operation on High Frequency Power.” Journal of Illuminating Engineering Institute of Japan, 1983.

Bajo Coste

Fiabilidad

Estrategias Propuestas para evitar la Resonancia Acústica

Voltage

Current

J. Ribas, et. al. "Electronic Ballast for Metal Halide Lamps based on a Class E Resonant Inverter Operating at 1 MHz." APEC 2005.

Pérdidas de Conmutación Operación por encima de 1MHz.

Estrategias Propuestas para evitar la Resonancia Acústica

portadora

TRIANGULAR

portadora

SENOIDAL

portadora

RUIDO BLANCO

freqüência

P PORTADORA

f maxf min

L. Laskai, et al. “White-Noise Modulation of High-Frequency High-Intensity Discharge Lamp Ballasts.” IEEE Trans. on Ind. Appl., 1998.

Coste ElevadoComplejo

Modulación.

Lámpara

Balasto

Detección de RA

Comando Coste ElevadoComplejoFiabilidad

J. Correa, et. al. “Evaluation of Close Loop Digital Control Based in a Microcontroller and Used to Eliminate Acoustic Resonances in HID Lamps.” PESC 2004.

Realimentación.

Fiable

Coste ElevadoEficiencia

M. Shen, et. al. “Design of a Two-Stage Low-Frequency Square Wave Electronic Ballast for HID Lamps.” IEEE Trans. on Ind. Appl. 2003.

Onda Cuadrada de Baja Frecuencia.

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

Etapas necesarias para alimentación com Onda Cuadrada de Baja Frecuencia

LA ETAPA DE ENTRADA DEL BALASTO ELECTRÓNICO TIENE UN EFECTO IMPORTANTE EN LA FORMA DE LA CORRIENTE

¡¡IMPORTANTE!!

LA CORRIENTE DEJA DE SER

SENOIDAL

IEC 61000-3-2

¿Equipo trifásico equilibrado?

¿Regulador de luz de lámp. incand.?

¿Equipo de audio?

¿Soldadura por arco no profesional?

¿Herramienta portátil?

¿Equipo de iluminación?

¿PC o monitor?

¿Receptor de TV?

CLASE A

CLASE B

CLASE C

CLASE D

Límites armónicos impuestos por la norma IEC 61000-3-2 Clase C

(Equipos de Iluminación)

Métodos Activos:

Semiconductores activos;

Convertidores CC-CC (DCM o CCM);

Métodos Pasivos:

Filtro Valley-Fill y derivaciones;

No utiliza semiconductores activos;

Corrección del Factor de Potencia (PFC)

Corrección del Factor de Potencia (PFC) – Convertidores CC-CC

IEC61000-3-2

39a Harm x 60 Hz = 2340 Hz

cos( )

Buck-Boost, Flyback, Sepic e Zeta

2( )( )

V t D TI t

Vbus Vbus / Vin(ef) FP THD (%) Harmônicas

320 1,455 0,770 82,8% 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15

330 1,500 0,850 62,1% 3, 5, 7, 9, 11

340 1,545 0,888 51,8% 3, 5, 7

350 1,591 0,911 45,2% 3, 5

360 1,636 0,927 40,4% 3, 5

370 1,682 0,939 36,7% 3

380 1,727 0,947 33,8% 3

390 1,773 0,954 31,3% 3

400 1,818 0,960 29,3%

Atendem a norma IEC 61000-3-2

410 1,864 0,964 27,5%

420 1,909 0,968 26,0%

430 1,955 0,971 24,6%

440 2,000 0,974 23,4%

450 2,045 0,976 22,3%

460 2,091 0,978 21,3%

470 2,136 0,979 20,9%

480 2,182 0,981 19,6%

490 2,227 0,983 18,8%

2 2 2( ) ( )

( )2 2 ( )

in bo S bo S in

inbo bo bus in

V t D T D T V tI t

L L V V t

Vbus Vbus / Vin(ef) FP THD (%) Harmônicas

40 0,182 0,997 8,1%

Atendem a

IEC61000-3-2

50 0,227 0,995 10,2%

60 0,273 0,992 12,3%

70 0,318 0,990 14,5%

80 0,364 0,986 16,8%

90 0,409 0,982 19,1%

100 0,455 0,978 21,5%

110 0,500 0,973 23,9%

120 0,545 0,967 26,4%

130 0,591 0,960 29,0%

140 0,636 0,953 31,8% 3

150 0,682 0,945 34,6% 3

160 0,727 0,936 37,6% 3

170 0,773 0,926 40,8% 3

180 0,818 0,915 44,2% 3

190 0,864 0,902 47,8% 3, 7

200 0,909 0,889 51,6% 3, 7, 11

210 0,955 0,873 55,8% 3, 7, 11

Varcsen

2( )( )

in bus S

V t V D TI t

Problema: Impedancia Incremental de la Lámpara

zsksZL

Impedancia

Incremental

Método convencional para obtener el modelo dinámico de la LHM

E. Deng, et. al. “Negative incremental impedance and stability of fluorescent lamps”. APEC 1997.

Demasiados EnsayosResonancias Acústicas

EscalónTensión Lámpara

kzpRss

vL (0)

(0)( )iL ( )

t1 t1 iLiL

Método de caracterización por escalón propuesto

Respuesta Temporal

Sistema a Resolver

pV)t(i

11 tkR

kzpRexp

pV)t(i

zsksZL

Método de caracterización por escalón propuesto

Philips CDMT35W830

Instante (μs) (mA)

t = 0 -73

t = -115

t = 100 -96

Parámetro Valor

k 149,4

z - 1,835 krad·s-1

p 10,69 krad·s-1

Tensión de la fuente

Tensión de la lámpara

Corriente de la lámpara

84,2V81,3V

0,419A

0,304A

Ejemplo de caracterización por escalón propuesto

Limitación de la corriente en la lámpara;

Simple y con pocos componentes;

Flyback;

Aislamiento entre entrada y salida;

Permite obtener más de una salida en un único convertidor.

Control de Potencia (PC)

Fornecer forma de onda cuadrada a la lámpara a partir del bus de

continua de la etapa de control de potencia;

Full-Bridge;

Half-Bridge;

Etapa Inversora

Corrección del Factor de Potencia

Control de la Corriente de la Lámpara Etapa Inversora

Balastos de OCBF: Elevados Coste y Complejidad.

Solución: Integración de Etapas.

Balasto de 2 etapas.

Qian, IEEE Trans on Ind Appl. 2003.

Balasto de 1 etapa.

Simonetti, IAS 2003.

Desventajas: esfuerzos en los semiconductores, elevadas pérdidas.

Ventajas: Inversor en medio puente.

Posibilidad de integración con una etapa de CFP.

Dalla Costa, et al. “Low-Cost Electronic Ballast to Supply MH Lamps based on Flyback Converter.” IEE Electronic Letters, May, 2005.

Reductor + Retroceso

Elevador + Retroceso

Reductor-Elevador + Retroceso

Retroceso + Retroceso

Sepic + Retroceso

Zeta + Retroceso

Grafted switches:

T-Type:

i-T-Type:

¡Sobrecorriente!

Wu et al. “Off-Line Applications with Single-Stage Converters.” IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1997.

Integración de Etapas

Grafted switches:

-Type:

i- -Type:

¡Sobretensión!

Integración de Etapas

Celda de Sobretensión (ST) Celda de Sobrecorriente (SC)

Ejemplo de Integración de Etapas

Elevador + Retroceso

Reductor-Elevador + Retroceso

Balastos Integrados Propuestos

Retroceso + Retroceso (SC)

Sepic + Retroceso Zeta + Retroceso

Retroceso + Retroceso (ST)

Balastos Integrados Propuestos

Encendido: Lámpara fría – 3kV durante 1μs. Lámpara caliente – 30kV durante 1 μs.

1:nign

LÁMPARA EN SERIE

TENSIÓNEN C1

SPARK-GAP 230V

Pulso de encendido – sin lámpara (2 kV/div; 500 ns/div).

Pulso de encendido – con lámpara (1 kV/div; 200 ns/div).

Resultados Experimentales del Buck + Flyback

Calentamiento:

Tensión sube de 20 hasta 90 V.

MCD debe ser mantenido.

Hay que regular D.

Debe ser lo más corto posible.

Formas de onda experimentales del calentamiento de la LHM (20V/div; 0,2A/div; 20s/div).

Régimen Permanente:

zLiS_m

GR(z)PWM(D/A)

H(s)A/D

iREF(z)

iLAMP(z)

iLAMP(s)

Ganancia delSensor

Microcontrolador Función de TransferenciaBalasto + Lámpara

Circuito equivalente Diagrama de bloques

Para A=12,5

Respuesta ante escalón

Diagrama de Bode de cadena abierta

Perturbation

Zero-OrderHold2

Zero-OrderHold1

Zero-OrderHold

Transfer FcnStep

PulseGenerator

0.125(z-1)

DiscreteZero-Pole

Output

Controller output

Reference

Regulador digital

Circuito simulado

Resultado de simulación

MICROCONTROLADOR(PIC16F684)

iLIM iL

VBUSLED CL

Rign 1:nign

IR2111CBF

VDCD3 D4

Fase de encendido: Si la lámpara enciende, el circuito se deshabilita automáticamente (aumenta D). Si la lámpara no enciende, se generan picos de encendido de acuerdo con RC (1s). Un contador de fallos, F0, es incrementado para detectar que la lámpara está caliente (F0=10). Un contador, G0, es incrementado para indicar el cambio de lámpara (G0=5).

Fase de calentamiento: Tabla de ciclos de trabajo Operación en CC

VBUS (V) D

< 43 0,1

43 – 63 0,15

63 – 90 0,17

90 – 106 0,19

106 – 129 0,21

129 – 149 0,23

149 – 156 0,25

Régimen Permanente: La conmutación en baja frecuencia (100Hz) es activada. Empieza el control de corriente (0,42A).

Protecciones: Si la lámpara apaga. Sobrecorriente en el interruptor principal. Sobrecorriente en la salida.

MICROCONTROLADOR(PIC16F684)

iLIM iL

VBUSLED CL

Rign 1:nign

IR2111CBF

VDCD3 D4

Aumento del ciclo de trabajodurante el encendido

Arriba: tensión VBUS y señal PWM(200V/div; 5V/div; 100μs/div)Abajo: detalle con 10μs/div

Proceso de calentamiento completo tensión (CH1) y corriente (CH2) de la lámpara

(50V/div; 200mA/div; 20s/div).

Tensión (CH2) y corriente (CH1) de la lámpara en régimen permanente(50V/div; 200mA/div; 5ms/div).

Tensión (CH2) y corriente (CH1) de la lámpara en régimen permanente(50V/div; 200mA/div; 2ms/div).

Respuesta a una perturbación en la tensión de entrada: arriba – corriente de la lámpara (500 mA/div; 10ms/div) y abajo –

tensión de la red (250V/div; 10ms/div).

Tensión en el interruptor M2

(50 V/div; 2 ms/div).

Tensión de bus(20 V/div; 5 ms/div).

Tensión (CH2) y corriente (CH1)de entrada

(100 V/div; 500 mA/div; 5 ms/div).

(1ms/div)NORM:10MS/s

DC 1:1 DC 1:1

Corriente y tensión en el interruptor compartido (100 V/div; 1 A/div; 1 ms/div).

Corriente en la bobina del convertidor reductor (500mA/div; arriba - 1ms/div; abajo

- 10μs/div).

Corriente y tensión en el interruptor compartido

(100 V/div; 1 A/div; 1 ms/div (arriba) y 5 μs/div (abajo)).

Corriente y tensión en el interruptor compartido

(100 V/div; 1 A/div; 1 ms/div (arriba) y5 μs/div (abajo)).

Orden del Armónico

Valor Eficaz (mA)

Valor Relativo a la Fundamental

(%)Norma (%)

23579111315171921232527293133353739

0251553142131311010010

014,128,472,821,690,562,261,130,561,690,561,690,560,56

230.0,96 = 28,8

1075333333333333333

VGrms (V) IGrms (mA) FP THD (%) Pent (W) PL (W) η (%)

220 180 0,96 17 39,6 35 88,4

Balastos Electrónicos de Onda CuadradaOtros Ejemplos de Integración

CONCLUSIONES

Lámparas de Vapor de Mercurio: baja eficiencia y bajo IRC – en desuso.

Lámparas de Vapor de Sodio: alta eficiencia y bajo IRC – Iluminación Pública.

Lámparas de Halogenuros Metálicos: media eficiencia y buen IRC – Iluminación de Destaque.

Etapas de Operación: Cebado, Calentamiento y Régimen Permanente.

Resonancias Acústicas: desarrollo de Balastos Electrónicos.

Balastos de Onda Cuadrada de Baja Frecuencia: Integración de Etapas.

Balastos Magnéticos dominan el mercado.

F i l t r oE M I

C a p a c i t o r+

F i l t r o

C o r r e ç ã oF a t o r

P o t ê n c i a I n v e r s o r F i l t r o

R e s s o n a n t e1 1 0 / 2 2 0 V

6 0 H zL â m p a d a ( s )

www.ufsm.br/gedremarcodc@gedre.ufsm.br

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