SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓN · Circuitos Integrados comerciales para soluciones con y sin Corrección del factor de potencia ... - Primeros drivers para Mosfet-Introducir

UNIVERSIDAD DE OVIEDO

Sistemas Electrónicos para iluminación

UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades

SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓN

CIRCUITOS DE CONTROL COMERCIALES




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




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.




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




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




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.





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




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:




Vs

tdT

T

UMAX

Cs

Cp

L

RL

VE1


Vm = 311 V

Fdis = 40 KHz

Vs

+

-


2

Um

t

2

Um4

t

tsen2

Um4U1

tsen2

Um4

2

Um)t(Us





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






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






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.




TT CRf

)(. 15041

1


IR2155 driver Auto-Oscilante para Medio Puente

Diagrama en bloques del 2155 Frecuencia de oscilación

OSCILADOR











Frecuencia variable

Condensador serieCondensador paralelo




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


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.




Fácil construcciónMuy pocos componentes

CS

CP

LP

Lámpara

Circuito Resonate LCParalelo


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






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









Encapsulado DIP 20


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.





Convertidor elevador CFP




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




Cs

Cp

L

RL

VE1


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




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)




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





Analisis y Calculo del circuito resonante paralelo.

Cs

Cp

L

RL

VE1


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




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



Criterio de elección del condensador serie




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







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)






RLA

CR

LR

CS

VLAV

1V

E

311 V

VE V

1

198 V

V1

140 V

1.52mH

10.42nF

120nF

270





Diseño del 21571

Ejemplo típico





Diseño del 21571Estados de

Funcionamiento y protecciones

Secuencia de arranque del C.I.

2

3

5

Patillas





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




- 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


Diseño del 21571




TIEMPO MUERTO = 1 S

CT = 1 nF RDT=1.2 K

2V

15V

VLO

VHO

15V

VCT

Tiempo muerto(Dead Time)


Tensión de salida para los transistores





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)




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)


Diseño del 21571




INICIOCALDEO

ARRANQUERUN


Diseño del 21571

Finicio = 100kHz

FCaldeo = 63kHz

Fmínima = 30kHz

FRun = 40kHz

Las frecuencias defuncionamiento elegidasson:




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




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




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)




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





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





OC6

CS R1050V

Tensión en la resistencia ROC

Diagrama de bloques interno del funcionamiento de las protecciones




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.




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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