Circuitos de control en lectronica de potencia

8/16/2019 Circuitos de control en lectronica de potencia

1/46

UNIVERSIDAD DE OVIEDO

Sistemas Electrónicos para iluminación

UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades

SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACCIRCUITOS DE CONTROL COMERCIALES


2/46




Alimentación en Baja frecuencia (50 Hz)Tensión y corriente por la lámpara

tensión

corriente

Equivalente BF

220 V50 Hz

Reactancia

Condensador decompensación L

á m p a r a

Cebador Tensión

Corriente

• Demanda de corriente no senoidal• Distorsión de corriente elevada•

Rendimiento bajo 60%• Circuito equivalente (lámpara) doszener en anti-serie.• Número de encendidos 10.000


3/46




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.


4/46




Soluciones en alta frecuencia alimentadas desde red sincorrección del factor de potencia

Rectificador FiltroBaja

FrecuenciaBalasto

Inversoralta

frecuenciaLámparaRed

Q1

Q2 LR

CR Lampara220V 50Hz

Red

Topología Básica


5/46




Soluciones en alta frecuencia alimentadas desde red sincorrección del factor de potencia

BalastoInversor LámparaFiltroEMI

Circuito dearranque

Control deflujo

luminoso

Red Rectificador yPFC

Filtrode baja

frecuencia

Red

220V

50Hz

Q1

Q3

Q2

LR

CR RL

1 : n

Tensión deentradaCorriente

de entrada


6/46




Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sinCorrección del factor de potencia

Circuitos Integrados INTERNATIONAL RECTIFIER IR:Basados en un driver para inversor en medio puente resonante

- IR2110Driver para el control de dos transistores Inversor Medio Puente- IR2111Driver para el control de dos transistores Inversor Medio Puente- IR2153, IR21531, IR2155Driver Auto-Oscilante para Medio Puente- IR21571Circuito integrado de control completo para balasto Electrónico- IR2167Circuito integrado de control completo para balasto Electrónico, concorrección del factor de potencia- IR53h(D)420(-P2)Driver Auto - Oscilante para medio punte con transistoresintegrados.


7/46





Q 1

Q2

CRLampara

220V 50Hz

Red

LRCSCONTROL

311 V

VE

Solución sin corrección del factor de potencia

Driver


8/46




VBUS

Fdis

Vs

+

-

Vs

tdT T

Vm

d VmV DC

)2sen( d nnVm

An

)2cos(1 d nnVm

Bn

H H

DC t n Bnt n AnV t Vs11

)(sen)(cos)(

DESARROLLO DE FOURIER

i B AV nnSn

))arg((sen)( 1 Sn H

Sn DC S V t nV V t V

ESTUDIO CON COMPLEJOS

Cs

Cp

L

RLVE1

APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICO

EJEMPLO:


9/46




Vs

tdT T

UMAX

Cs

Cp

L

RLVE1


Vm = 311 V

Fdis = 40 KHz

Vs

+

-


2Um

t

2Um4

t

tsen2Um4

U1

tsen2Um4

2Um

)t(Us


10/46





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


11/46





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


12/46





Circuitos Integrados:

IR2153, IR21531, IR2155 driver Auto-Oscilante para Medio Puente

- Genera los pulsos de control (RT y C

T ) 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.


13/46




T T C R f

)(. 150411


IR2155 driver Auto-Oscilante para Medio Puente

Diagrama en bloques del 2155 Frecuencia de oscilación

OSCILADOR


14/46







15/46






Frecuencia variable

Condensador serieCondensador paralelo


16/46




IR53H(D)420(-P2) driver Auto-Oscilante para Medio Puente


Incorpora dos transistores mosfetGenera los pulsos de control (RT y CT) TablaTensión del bus de continua 600 VCorriente para manejar el circuito de puerta delos Mosfet 200/420mAOfrece señal de control digital para cortar pulsosde salida.


17/46




Fácil construcciónMuy pocos componentes

CS

CP

LP

Lámpara

Circuito Resonate LC

Paralelo


IR53H(D)420(-P2) driver Auto-Oscilante para Medio Puente


18/46






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

ó ó


19/46





Si El ó i il i ió


20/46





Encapsulado DIP 20


IR2167 Circuito integrado de control completo para balasto Electrónico, con correccfactor de potencia- Driver- Etapa CFP basada en un elevador trabajndo en la frontera modo continuo-discontinuo- 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.

Si t El t ó i il i ió


21/46





Convertidor elevador CFP

Si t El t ó i il i ió


22/46




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



23/46




Cs

Cp

L

RLVE1


APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICOTensión y corriente en la lámpara.

fFRS

FRP

Tensión MáximaRL=

CorrientemáximaRL= 0

RL

FdisFCALDEO

Vs

IsS

RS C L

F 2

1

P S

P S

RP

C C

C C L

F

2

1

Us

Is



24/46




EJEMPLO 1:

fFRS

FRP

Tensión MáximaRL=

CorrientemáximaRL= 0

RL

FdisFCALDEO

Vs

Is

S

RS C L

F 2

1

P S

P S

RP

C C C C

L

F

2

1

CALDEO DE FILAMENTOS( 1.3 FRP)

ARRANQUE

NOMINAL( 0.8 FRP)

TENSIÓN DE CEBADOREGIÓN DECOMPORTAMIENTO INDUCTIVO

(CONMUTACIÓN FORZADA)



25/46




EJEMPLO 1: CALDEO DE FILAMENTOS

fFRS FRP

RL

Fdis FCALDEO

TENSIÓN

EN LA LÁMPARADURANTE EL CALDEO

CS

CP

L

FILAMENTOS

IFIL

mA I CALDEO 600

RMS CALDEO V V 300

RP CALDEO F F 3.1



26/46




APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICOAnalisis y Calculo del circuito resonante paralelo.

Cs

Cp

L

RLVE1


1

LAS V

VM Tensión de salida normalizada

Armónico fundamental

Tensión en la lámpara

B

LAP Z

RQ

)1(MQ SP

R

BR f 2

ZL

BRR Zf 2

1C

2U

4

V

max

1

RS C10C



27/46




PARA TENER EN VACÍO TODA LA TENSIÓN DE CEBADO EN EL CONDENSADOR

CPEL CONDENSADORCS DEBE SER MAYOR QUE ELCPTOMAREMOS:

P S C C 10

C

C+

-

+ -

1 KV1 KV C

+

-

+ -

1 KV100 V

10 C

P S C C 10 P S C C


Criterio de elección del condensador serie



28/46




IL ICP

CP

VTUBOITUBO

ICPIL

CONDICIÓN DE DISEÑO

En funcionamiento, la corriente por el condensadorCPdebe sermenor que la corriente nominal del tubo para no cargar efilamento.

En realidad cuanto mas pequeña mejor.

Pero no se puede eliminarCP porque es necesario para cebar eltubo en su frecuencia de resonancia.Generalmente se ajusta la corriente de caldeo que indica efabricante de la lámpara

DIS TUBO

TUBO P f V

I C 2




29/46


p


APROXIMACIÓN PRIMER ARMÓNICOAnalisis 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 elFabricante)

Rnom = 270 Vtubo = 98.6 VIcaldeo = 600 mA Itubo = 365 mA

frecuencia diseño = 40 KHz

Tensión de Entrada

Tensión de entrada: RED (220v 50Hz)

Tensión del Bus: 311 V (tensiónrectificada. Fltropor condesador)



30/46


p



RLAC R

LRCS

VLAV1VE

311 V

VE V1

198 V

V1

140 V

1.52mH

10.42nF

120nF

270



31/46


p



Diseño del 21571

Ejemplo típico



32/46

UNIVERSIDAD DE OVIEDOUNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades


Diseño del 21571 Estados deFuncionamiento y proteccionesSecuencia de arranque

del C.I.

2

3

5

Patillas



33/46



Diseño del 21571Secuencia de Arranque:

- El transistor P3 saturado

- El transistor P5 cortado

- La tensión en la patilla 6 es undiente de sierra cuyo tiempo

de 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 de

conmutación- Esto se mantiene hasta queVCPH


34/46


-Para el cálculo de las frecuencias defuncionamiento tenderemos que calcular el

equivalente thevenin desde la patilla 4.

- Finiciola Req paralelo de RPH//RSTART //RT

- El valor de esta frecuencia comienza a

disminuir (hasta que se carga elcondensador CSTART)

-A partir de este instante la frecuenciade funcionamiento es la deprecalentamiento fPH y viene determinadapor el paralelo de las resistencias RPH//RT

- Esto se mantiene hasta que tensión en elcondensador CPH (patilla 2) alcanza 4V

RTD

RRUN

RPHRT

CSTART

RSTART

Cing

CPH2

3

4

5

6

CT

TransistorSaturado

TransistorCortado


Diseño del 21571



35/46


TIEMPO MUERTO = 1SCT = 1 nF R

DT =1.2 K

2V

15V

VLO

VHO15V

VCT

Tiempo muerto

(Dead Time)


Tensión de salida para los transistores



36/46



Diseño del 21571

CartadoSaturado

- Cuando la tensión estácomprendida entre 4V < VCPH


37/46


RTD

RRUN

RPHRT

Cing

CPH2

3

4

5

6CT T ransistor

Saturado

T ransistorCortado

- 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)


Diseño del 21571

Sistemas Electrónicos para iluminaciónCi i I d i l l i i


38/46


INICIOCALDEO ARRANQUE RUN


Diseño del 21571

Finicio= 100kHzFCaldeo= 63kHzFmínima= 30kHz

FRun= 40kHz

Las frecuencias defuncionamiento elegidasson:

Sistemas Electrónicos para iluminaciónd lá á d d d


39/46


Protección detensión mínima de

bus VDC3V– 5.1 V

3V 5.1V Ve

VS on

off

Protecciones de lámpara y circuito automático de reencendido

En la información facilitada por el fabricante y tal y 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

Sistemas Electrónicos para iluminaciónP i d lá i i á i d did


40/46


Protecciones de lámpara y circuito automático de reencendidoLa protección de shutdown P9 sirve para parar y rearrancar el oscilador puededetectar 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

Sistemas Electrónicos para iluminaciónP t i d lá i it d li t ió


41/46


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 alimentación11.4V (mínima)

Sistemas Electrónicos para iluminaciónCi it d li t ió BOMBA DE CARGA BOOTSTRAP


42/46


Circuito de alimetación BOMBA DE CARGA - BOOTSTRAP

CHARGE-PUMPApoyo para la alimentacióndesde el bus de continua

BOOTSTRAP

Alimentaciónflotante para eltransistor Q1.

El condensadorCBOOTtse cargaa través deldiodo DBOOT cuando eltransistor Q2conmuta.

Alimentación desde el busde continua

Sistemas Electrónicos para iluminaciónProtecciones de lámpara y circuito de alimentación


43/46


Protecciones de lámpara y circuito de alimentaciónLa 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

Sistemas Electrónicos para iluminaciónProtecciones de lámpara y circuito de alimentación


44/46


Protecciones de lámpara y circuito de alimentación

OC

6

CS R1050V

Tensión en la resistencia ROC

Diagrama de bloques interno del funcionamiento de las protecciones

Sistemas Electrónicos para iluminaciónCircuito de alimetación BOMBA DE CARGA– BOOTSTRAP


45/46


Circuito de alimetación BOMBA DE CARGABOOTSTRAPDiseño 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.



46/46


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 balalastos Fluorescent Lighting Solutions Halogen Lighting Solutions

HID Lighting Solutions Selector Guide

Pagina web de International Rectifier:

Documents

Circuitos de control en lectronica de potencia