UNIVERSIDAD DE OVIEDO
Sistemas Electrónicos para iluminación
UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Javier Ribas Bueno
SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓN
Inversores autoexcitados
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Sistemas Electrónicos para iluminación
UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Javier Ribas Bueno
Inversores autoexcitados
Índice:
Introducción
Principio de funcionamiento de los inversores autoexcitados
no resonantes
Inversores autoexcitados resonantes
Medio puente con transistores MOS
Medio puente con transistores bipolares
Conclusiones
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Introducción a los inversores autoexcitados
Esquema de un balasto de dos etapas con corrección activa del factor de potencia
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Introducción a los inversores autoexcitados
FiltroEMI
RectificadorConvertidor
con alto factor de potencia
Inversor resonante
Características de entrada:
•Elevado factor de potencia (FDP0,99)
•Baja distorsión (THD=515%)
•Cumple muy holgadamente las especificaciones de la Clase C de la norma EN 61000-3-2
Características de salida:
•Señal senoidal de alta frecuencia
•Bajo factor de cresta
•Mayor eficiencia de la lámpara
•Encendido programado
•Protecciones
Inconvenientes: solución compleja y MUY CARA
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Introducción a los inversores autoexcitados
¿Cómo se puede reducir el coste de la etapa de entrada?
PS
Norma EN 61000-3-2
Clase C - Sistemas electrónicos de
iluminación
>25W fuertemente restrictiva
<25W poco restrictiva
VBUS
FILTRO POR CONDENSADOR
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Introducción a los inversores autoexcitados
¿Cómo se puede reducir el coste de la etapa de salida?
¿Bipolares?
¿Se podría eliminar?
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Introducción a los inversores autoexcitados
VBUS
Medio puente auto-oscilante
Características básicas:
• El circuito de control se sustituye por un toroide de bajo coste
• El propio transformador toroidal proporciona aislamiento de las señales de control: no se necesitan fuentes flotantes
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Índice:
Introducción
Principio de funcionamiento de los inversores autoexcitados
no resonantes
Inversores autoexcitados resonantes
Medio puente con transistores MOS
Medio puente con transistores bipolares
Conclusiones
Inversores autoexcitados
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Inversores autoexcitados no resonantes
UB
T2
T1
RB2
RB1
• Solución autoexcitada a partir de devanados auxiliares
• Todas las bobinas están acopladas en el mismo núcleo magnético
• Muy económico para aplicaciones de baja potencia
Push-pull auto-oscilante alimentado en
tensión
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Principio de funcionamiento
Supongamos T1 saturado
Se aplica una tensión continua(UB) a la inductanciamagnetizante.
Aparece una corriente por labase de T1 que asegura laconducción.La corriente magnetizante crecelinealmente.
tUL
idtUL
ti B
mag
mag
t
B
mag
mag 1
)0(1
)(0
(R’ representa RB1 y Ro reducidasal devanado del circuito decolector).
El flujo magnéticotambién variarálinealmente.
UB
Lmag R'
iC1
imag
iR'
UB
T1
RB1
iB1
UBi
C1
B
H
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Lmag se mantiene constante mientras no se sature elnúcleo. Cuando se satura, Lmag disminuye fuertemente yimag y uCE1 crecen muy rápidamente. Así, la tensión aplicadaa Lmag disminuye con lo que disminuye, a su vez, lacorriente iB1. La intensidad de colector se anulabruscamente.
Al anularse iC1, se inducen tensiones contrarias en losarrollamientos del transformador (Ley de Lenz) queprovocan el corte de T1 y la saturación de T2. Iniciándoseel segundo semiciclo que recorre CDEF.
B
H
A
B
CD
E
F
A
B
CiC1
uCE12·UB
D,E,F
imag
A
B
C
D
EF
UO
uCE1
2·UB
iC1
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Cálculo de la frecuencia de oscilación
dt
dNUB
)0(
1)()(
0
t
Be dtUN
AtBt
esatBe ABtUN
AtB 1
)(
Suponiendo que se parte desde la saturación negativa:
Expresión del flujo magnético:
Al cabo de T/2 se alcanza la saturación positiva (+Bsat):
esatBesat ABT
UN
AB 2
1
Operando:
esat
B
ANB
U
Tf
4
1
B
H
+BSAT
-BSAT
T/2
T/2
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Inicialmente, los dos transistores están cortados y no aparece tensión en losdevanados del transformador, con lo que la salida es nula permanentemente.
La solución habitual consiste en hacer conducir ligeramente uno de lostransistores (como se muestra en la figura).
A veces las propias diferencias de los transistores pueden producir el arranqueespontáneo del inversor.
El arranque
UB
T2
T1
RB2
RB1
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Inversores autoexcitados no resonantes
Resumen de las características del push-pull autoexcitado
alimentado en tensión:
La conmutación se consigue saturando el transformador de potencia
Las pérdidas en el material magnético son elevadas
La saturación da lugar a la aparición de sobrecorrientes en los
transistores: mayores pérdidas de conducción y conmutación
Topología válida para potencias reducidas
Baja eficiencia energética
Muy bajo coste
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Índice:
Introducción
Principio de funcionamiento de los inversores autoexcitados
no resonantes
Inversores autoexcitados resonantes
Medio puente con transistores MOS
Medio puente con transistores bipolares
Conclusiones
Inversores autoexcitados
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Inversores autoexcitados resonantes: generalidades
Objetivos del circuito de control:
• Generar los pulsos de gobierno de Q1 y Q2 a partir de las señales iRES ó UCP
• Proporcionar aislamiento en las señales de control
• Bajo número de componentes de coste reducido
DRIVER
Circuito de 2º orden
Realimentación de U ó iCP RES
VBUS
UCP
iRES
Q1
Q2
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Inversores autoexcitados resonantes: generalidades
DRIVER
VBUS
UCP‘DRIVER
DRIVER
VBUS iRES
DRIVER
Transformador de corriente
Realimentación de la tensión de
salida
Realimentación de la corriente
resonante
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Inversores autoexcitados resonantes: generalidades
Comparación: Tensión de salida V Corriente resonante
El circuito de control es más complejo cuando se realimenta la tensión
La tensión en la lámpara varía muy fuertemente
VLAMP
ILAMP
Hay riesgo de que quede sin señal de control
El método más empleado es
realimentar la corriente resonante
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Introducción al funcionamiento del medio puente autoexcitado
VBUS iRES
Transformador de corriente( )baja impedancia
CS LS
CP RLAMPV1
uGS1
Q1 D1
iQ1
iD1
iRES
V1
uGS1
Margen de variación del ciclo de trabajo
Funcionamiento en ZVS
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Introducción al funcionamiento del medio puente autoexcitado
iQ1
iD1
iRES
V1
uGS1
Margen de variación del ciclo de trabajo
Corriente retrasada un ángulo respecto
a la tensión
Las formas de onda no varían mientras el
encendido de los transistores se produzca
mientras conduce el diodo en antiparalelo
El margen de variación del ciclo de
trabajo coincide con
El apagado es más crítico que el
encendido
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Estrategias de control
Funcionamiento con tensión de entrada y corriente resonante en fase
iRES
V1
uGS1
uGS2
LS
CP RLAMP
iRES
+
Características:
• No maneja reactiva
• Control sencillo
• Funcionamiento al límite de ZVS
• Válido sólo si se cumple:
P
S
C
LR
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Estrategias de control
Funcionamiento con corriente resonante retrasada
Señal de partida Pulsos de gobierno adelantados
¿Circuito de control?
Empleo de las características del transformador de corriente
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Empleo de las características del transformador de corriente
VBUS
iRES
Transformador de corriente
Tanque resonante
i’RES Lmag
imag
UGS
Circuito equivalente
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Empleo de las características del transformador de corriente
i’RES Lmag
imag
UGS
iZ
imag
iRES
UGS
Funcionamiento
Pulsos de control adelantados
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Empleo de las características del transformador de corriente
iZ
imag
iRES
UGS
Flancos de bajada lentos(altas pérdidas de conmutación)
Formas de onda reales
Por efecto de:
Capacidad de puerta
Característica del Zener real
las transiciones de la señal de puerta
son muy lentas incrementando las
pérdidas de conmutación
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Posibles mejoras del circuito:
iRES
B
H
Amplificar la corriente de pagado
Empleo de núcleos saturables de control
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Empleo de las características del transformador de corriente
Transformador de corriente saturable
VBUS
iRES
Transformador de corrientesaturable
Tanque resonante
Circuito equivalente
i’RES Lmag
imag
UGS
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Funcionamiento
Empleo de las características del transformador de corriente
Transformador de corriente saturable
i’RES Lmag
imag
UGS
iRES
UGS
imag
+iSAT
-iSAT
SaturaciónB
H
Saturación ideal
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Medio puente autoexcitado con transistores MOS
VBUS
iRES
CS LS
CP RLAMP
RG
RG
Circuito equivalente
i’RES Lmag
imag
UGS
RG
Transformador de corriente saturable:
Circuito práctico
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Medio puente autoexcitado con transistores MOS
Circuito equivalente
i’RES Lmag
imag
UGS
RG
La resistencia RG incrementa la dependencia entre la frecuencia y la corriente resonante
Amortigua las oscilaciones debidas a la capacidad de puerta de los MOS
¿Cómo comienza a oscilar el circuito?
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Medio puente autoexcitado con transistores MOS
Con red de arranque
VBUS
iRES
CS LS
CP
RLAMP
RG
RGRIGN
CIGN
CSNUB
Proporciona el primer pulso de control
Mantiene CIGN descargado durante el funcionamiento normal
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Medio puente autoexcitado con transistores MOS
Arranque con precalentamiento
VBUS
iRES
CS LS
CP1
RG
RGRIGN
CIGN
CSNUB
CP2
tº
La PTC presenta alta impedancia en caliente y baja impedancia en frio
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Medio puente autoexcitado con transistores bipolares
Arranque con precalentamiento
VBUS
iRES
CS LS
CP1
RG
RGRIGN
CIGN
CSNUB
CP2
tº
Las formas de onda dependen fuertemente del tiempo de almacenamiento del transistor
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Medio puente autoexcitado con bipolares:
Formas de onda
ANÁLISIS COMPLEJO
RG
RG
iC
iBuA
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Índice:
Introducción
Principio de funcionamiento de los inversores autoexcitados
no resonantes
Inversores autoexcitados resonantes
Medio puente con transistores MOS
Medio puente con transistores bipolares
Conclusiones
Inversores autoexcitados
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Los circuitos autoexcitados son una alternativa de bajo
coste al empleo de circuitos integrados de control
El análisis y diseño resulta más complejo que
empleando circuitos de control específicos
La implementación de protecciones (cortocircuito,
circuito abierto, ...) es compleja
Conclusiones:
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