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Ponentes: Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 PowerPoint Presentation
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Sistema Electrónicos para Iluminación Día 3 Lámparas de Alta Intensidad de Descarga (HID). Ponentes: Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012. SUMARIO. Lámparas HID: Vapor de Mercurio Vapor de Sodio Halogenuros Metálicos

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

Sistema Electrónicos para Iluminación

  • Día 3
  • Lámparas de Alta Intensidad de Descarga (HID)

Ponentes: Marco Antonio Dalla Costa

Gustavo Ariel Barbera

13 a 18 de Febrero de 2012

slide2

SUMARIO

  • Lámparas HID:
    • Vapor de Mercurio
    • Vapor de Sodio
    • Halogenuros Metálicos
  • Etapas de Operación de Lámparas HID
  • Resonancias Acústicas
  • Balastos Electrónicos para Lámparas HID
slide3

PRINCIPALES LÁMPARAS HID

  • Lámpara de Mercurio de Alta Presión.
  • Lámpara de Vapor de Sodio.
  • Lámpara de Halogenuros Metálicos.
slide4

LÁMPARAS DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN

  • Lámpara de Mercurio de Alta Presión.
  • Lámpara de Vapor de Sodio.
  • Lámpara de Halogenuros Metálicos.
slide5

LÁMPARAS DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN

ÁTOMO DE MERCURIO

ENERGIA

[eV]

ENERGÍA DE EXCITACIÓN

10

365

313

297

546

436

405

3S

8

185

1P1

3P2

6

3P1

3P0

4

DOMINANTE

ULTRAVIOLETA

253.7

2

0

NIVELES DE ENERGÍA SIMPLIFICADOS DEL ÁTOMO DE MERCURIO

slide6

60

40

20

P [Pa]

1

106

102

104

LÁMPARAS DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN

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

APARECEN 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

slide7

LÁMPARAS DE MERCURIO EN 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).

VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN

VM

350 400 450 500 550 600 650 700 750

 [nm]

slide8

FÓSFOROS

ROJOS.

FLUOROGERMANATO

DE MAGNESIO

LÁMPARAS DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN

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)

VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN COLOR CORREGIDO IRC =60

350 400 450 500 550 600 650 700 750

 [nm]

slide9

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA LÁMPARAS DE VMAP

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

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 Pa

T del orden de 630 K (357 ºC)

DENSIDAD

DE VAPOR

DE MERCURIO

PRESIÓN

¡ CUIDADO CON ROTURAS Y EXPLOSIONES DEL TUBO DE DESCARGA!

Ts

TEMPERATURA

Ts= TEMPERATURA DE SATURACIÓN

slide10

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).

slide11

BALASTO CONVENCIONAL PARA LÁMPARAS DE VMAP

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

ELECTRODO

AUXILIAR

BALASTO

ARCO

RESISTENCIA

DE ARRANQUE

ELECTRODOS

PRINCIPALES

TUBO DE

CUARZO

slide12

LÁMPARA DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN

TUBO DE CUARZO

ELECTRODO

AUXILIAR

RESISTENCIA

DE ARRANQUE

ELECTRODOS

PRINCIPALES

slide13

LÁMPARA DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN DE COLOR CORREGIDO

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

SOLO MEDIA LÁMPARA (LÁMPARA DE PRUEBA)

slide14

LÁMPARA DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN CON LUZ MEZCLA

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

FILAMENTO

INCANDESCENTE

slide15

LÁMPARA DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN CON LUZ MEZCLA

350 400 450 500 550 600 650 700 750

 [nm]

slide17

LÁMPARAS DE VAPOR DE SODIO EN BAJA PRESIÓN

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

slide18

ESPECTRO TÍPICO DE UNA LÁMPARA DE

VAPOR DE SODIO DE BAJA PRESIÓN (VSBP)

VSBP

LPS

350 400 450 500 550 600 650 700 750

 [nm]

- 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)

slide19

ESTRUCTURA LÁMPARA VSBP

AMPOLLA

EXTERIOR

(PROTECCIÓN Y FILTRO IR)

¡CUIDADO TIENEN POSICIÓN

DE FUNCIONAMIENTO!

TUBO DE DESCARGA DOBLADO

ELECTRODOS

SODIO EN FRIÓ DEPOSITADO EN FORMA DE GOTITAS

slide20

COMENTARIOS LÁMPARA VSBP

- 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.

slide21

TENSIÓN

DE

ENCENDIDO

[V]

MEZCLA

PENNING

580

540

0.3

0.5

1

ARGÓN EN NEÓN [%]

GAS AUXILIAR DE ARRANQUE

EN LÁMPARAS VSBP

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)

1012 atomos Na/mm3

DENSIDAD

DE VAPOR

DE SODIO

1 bar

PRESIÓN

600 K

TEMPERATURA

slide22

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 kVEN 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.

slide23

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

RENDIMIENTO

LUMINOSO

[%]

115

100

50

25K

100K

400K

FRECUENCIA

slide24

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

slide25

LÁMPARAS DE VAPOR DE SODIO EN BAJA PRESIÓN

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.

slide26

RENDIMIENTO

LUMINOSO

[%]

BAJA

PRESIÓN

VSAP:

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

100

80

60

ESTÁNDAR (IRC 20)

40

IRC 60

IRC 80

ALTA

PRESIÓN

20

1

10

100

1.000

10.000

100.000

PRESIÓN EN EL TUBO DE DESCARGA

T=2.000K

T=2.150K

T=2.500K

slide27

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

TUBO DE DESCARGA

(T HASTA 1.000 ºC)

"OXIDO DE ALUMINIO

SINTERIZADO"

ANILLO DE ARRANQUE PARA

FACILITAR EL CEBADO

slide28

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

LÁMPARAS VSAP

slide29

VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN IRC 23

VSAP

IRC=20

HPS 150 W

350 400 450 500 550 600 650 700 750

 [nm]

slide30

VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN IRC=60

VSAP

IRC=60

HPS 150 W

350 400 450 500 550 600 650 700 750

 [nm]

slide31

VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN IRC=80

VSAP

IRC=80

HPS 150 W

350 400 450 500 550 600 650 700 750

 [nm]

slide32

8

6

TENSIÓN

DE

ENCENDIDO

[KV]

4

2

200

400

600

800

1.000

TEMPERATURA [K]

VSAP: RE-ENCENDIDO EN CALIENTE

REQUIERE TENSIONES DE ENCENDIDO ELEVADAS EN CALIENTE

slide33

VSAP:

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

3

VSAP 70 W

2,5

2

Tensión de ruptura (KV)

1,5

1

0,5

0

0

1

2

3

4

5

6

Tiempo de enfriamiento (min)

slide34

LÁMPARA DE VSAP:

RESISTENCIA EQUIVALENTE EN ALTA FRECUENCIA

(VARIA POCO CON LA POTENCIA)

Pla

VSAP 70W Osram

70 W

35 W

Rla

90 - 95 

slide35

LÁMPARA DE VSAP:

DIFERENCIAS ENTRE FABRICANTES

12 % Fluctuación

(medida experimental sobre 5 lamp.

Mazda, Osram and Philips)

Pla

70 W

VSAP 70W

85 

95.5 

90 

Rla

slide36

LÁMPARA DE VSAP: ENVEJECIMIENTO

5.000 H

Nueva

10.000 H

La resistencia aumenta al envejecer la lámpara

70 W

Efecto del envejecimiento

180 

90 

120 

Rla

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

DR

VSAP 70 W

slide37

LÁMPARAS DE HALOGENUROS METÁLICOS

- 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

slide38

EXISTEN VARIOS ADITIVOS:

DISPROSIO Y TALIO, SODIO Y ESCANDIO, TALIO Y TIERRAS RARAS.

HALOGENUROS METÁLICOS TALIO Y TIERRAS RARAS

350 400 450 500 550 600 650 700 750

 [nm]

- 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

slide39

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

FLUORESCENTE

IRC 85

HALOGENUROS

METÁLICOS

IRC 90

LÁMPARA DE

MERCURIO

IRC 45

slide40

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

ELECTRODOS

DE RE-ENCENDIDO

slide44

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID

  • Tensión Elevada: 3kV p/ Lámpara fría
  • 30kV p/ Lámpara caliente
  • Ancho de pulso controlado: mínimo 1µs (normativa)
  • Cebado
  • Fase crítica para balastos electrónicos: corriente elevada y tensión reducida.
  • Calentamiento
  • Comportase como una resistencia.
  • Cuidado: característica dinámica.
  • Régimen Permanente
slide45

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO

  • Ruptura del gas
  • Pulso de sobretensión;
  • Reducción de la tensión;
  • Modificación de las propiedades del gas de ignición.
  • Transición para un arco estable
  • 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.
slide46

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO

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

CORRIENTE

DESCARGA DE ARCO

RUPTURA

DESCARGA LUMINICENTE

TENUE LUMINOSIDAD

TENSIÓN

CORRIENTE DE SATURACIÓN

(DESCARGA OSCURA)

TENSIÓN DE RUPTURA

slide47

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO

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

TENSIÓN DE

RUPTURA

Ar

Xe

Ne

MEZCLA PENNING

Ne + 0.1% Ar

PRESIÓN

slide48

8

6

TENSIÓN

DE

CEBADO

[kV]

4

2

200

400

600

800

1.000

TEMPERATURA [K]

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO

slide49

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO

3

HPS 70 W

2,5

2

Tensión de Ignición (kV)

1,5

1

0,5

0

0

1

2

3

4

5

6

Tempo de enfriamiento (min)

slide50

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO

  • Tipos de cebado
  • Por pulso de tensión;
  • Con condensador auxiliar;
  • Filtro LCC resonante.
  • Topologías Estudiadas
  • SparkGap;
  • SIDAC;
  • Condensador;
  • Filtro LCC.
slide51

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO

Cebado por Pulso de Tensión

IGNITOR SERIE PARA HPS Y MHL

3-5 kV - 3 PULSOS DE 50 S EN CADA CICLO

slide52

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO

Cebado por Pulso de Tensión

IGNITOR SERIE PARA HPS Y MHL

3-5 kVDURANTE 50 S

slide53

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO

Cebado por Pulso de Tensión

  • Spark Gap / Sidac:
  • Facilidad de operación;
  • Circuito auxiliar simple;
  • Coste elevado.
slide54

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO

Cebado con Condensador Auxiliar

  • Condensador auxiliar:
  • Circuito simple;
  • Influencia en la salida.
slide55

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO

Cebado con Filtro LCC Resonante

  • 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.
slide56

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO

Cebado con Filtro LCC Resonante

slide57

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CALENTAMIENTO

  • 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).

slide58

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CALENTAMIENTO

Lámparas HID:

RFRIA = 10%-20% RCALIENTE

slide59

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID – RÉGIMEN PERMANENTE

Pla

HPS 70W Osram

70 W

35 W

Rla

90 - 95 

Resistencia varía poco con la potencia.

slide60

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID – RÉGIMEN PERMANENTE

12 % flutuacción

(medida experimental sobre 5 lamp.

Mazda, Osram and Philips)

Pla

70 W

HPS 70W

90 

95.5 

85 

Rla

Diferencias entre fabricantes.

slide61

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID – RÉGIMEN PERMANENTE

5.000 H

Nueva

10.000 H

La resistencia aumenta al envejecer la lámpara

70 W

Efecto del envejecimiento

180 

90 

120 

Rla

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

DR

VSAP 70 W

Efecto del envejecimiento.

slide62

ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID – RÉGIMEN PERMANENTE

Lámparas HID:

RVIEJA = 200% RNUEVA

Efecto del envejecimiento.

slide63

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
slide64

ALIMENTACIÓN DE LÁMPARAS HID

Comportamiento en Frecuencia

Baja frecuencia

(50 Hz – 60 Hz)

Comportamiento no lineal

Alta frecuencia

(10 kHz – en adelante)

Comportamiento resistivo

slide65

Balasto Electrónico Convencional para FL

PFC

/

Bus DC

Rectif.

/

Filtro EMI

Inversor

HF

Estabilidad

Bus DC

ALIMENTACIÓN DE LÁMPARAS HID

  • Estabilidad
  • Potencia
  • Regulación
  • Control, Monitorización
  • Protecciones
  • ...
slide66

Tensão

Corrente

Potência

Resonancia Acústica

  • Resonancia Acústica (RA)
  • Variación periódica de la potencia en la lámpara;
  • Consecuencias:
    • Alteración del coloy y parpadeo;
    • Destruición del tubo de descarga.
slide67

Resonancia Acústica

  • Ejemplo de Resonancia Acústica (RA)
slide68

Resonancia Acústica

  • Ejemplo de Resonancia Acústica (RA)
slide69

Resonancia Acústica

  • Disturbio en la descarga de arco;
slide70

Resonancia Acústica

    • 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
slide71

Resonancia Acústica

  • Frecuencia Natural del tubo
  • Frecuencia Natural del tubo
slide72

Resonancia Acústica

  • Frecuencia Natural del tubo
  • Aspectos físicos del tubo de descarga:
    • Geometría:
    • Presión;
    • Temperatura.
  • Envejecimiento;

Cambio en la energía de activación

Nuevas frecuencias de resonancia

slide73

Predicción Teórica

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:

slide74

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:

slide75

Radial

Principales

Longitudinal

Modos

Azimutal

Compuestos

Longitudinal

Radial

Azimutal

Predicción Teórica

Resonancias Acústicas

Resonancias

slide76

Radial

Principales

Longitudinal

Modos

Azimutal

Compuestos

Primer Orden

Órdenes

Órdenes Superiores

Segundo Orden

Primer Orden

Tercer Orden

Predicción Teórica

Resonancias Acústicas

Resonancias

slide77

Radial

Principales

Longitudinal

Modos

Azimutal

Compuestos

Primer Orden

Órdenes

Órdenes Superiores

Distribución Espectral

Frecuencia

Predicción Teórica

Resonancias Acústicas

Resonancias

slide78

Radial

Principales

Longitudinal

Modos

Azimutal

Compuestos

Primer Orden

Órdenes

Órdenes Superiores

Distribución Espectral

Predicción Teórica

Resonancias Acústicas

Resonancias

Energía de Activación

Frecuencia

Energía de Activación

slide79

Representación gráfica de las RA teóricas

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?

slide80

Métodos de caracterización de RA existentes

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)

slide81

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)

slide82

Método de caracterización con CC propuesto

  • Potencia nominal en CC, excitación en pequeña señal.
  • Detección por fotodiodo.
  • Distintos envejecimientos: 100, 2500, 5000 y 7500 horas.
  • Temperatura controlada en 33ºC.
slide83

Parámetros de los ensayos de CC

Parámetros:

Lámparas (5 muestras)

Philips MasterColour 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

slide86

Método de caracterización con onda cuadrada propuesto

  • Potencia nominal en CA, excitación en pequeña señal.
  • Detección por fotodiodo.
  • Distintos envejecimientos: 100, 2500, 5000 y 7500 horas.
  • Temperatura controlada en 33oC.
slide87

¿Cuánto rizado se puede permitir?

Balastos de onda cuadrada de baja frecuencia

Diagrama de Bloques Típico

slide88

Balastos de onda cuadrada de baja frecuencia

Convertidor

CC/CC

MCC

MCD

Rizado  Magnéticos

Rizado  C

C  Estabilidad

slide89

Parámetros de los ensayos de OCBF

Parámetros:

Lámparas (5 muestras)

Philips MasterColour 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

slide92

Conclusiones sobre los ensayos de resonancia

  • 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.
slide93

Resonancia Acústica

  • Resonancia Acústica (RA)
  • 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).
slide94

Voltage

Current

Power

Estrategias Propuestas para evitar la Resonancia Acústica

Operación en una ventana libre de RA.

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

Resonancias Teóricas

Potencia

Instantánea

Bajo Coste

Fiabilidad

slide95

Estrategias Propuestas para evitar la Resonancia Acústica

Operación por encima de 1MHz.

Pérdidas de Conmutación

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

slide96

P

f

f max

portadora

f min

f

time

PORTADORA

P

f min

f max

freqüência

Modulación.

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

SENOIDAL

P

TRIANGULAR

f

f max

portadora

f min

f

time

P

RUIDO BLANCO

f

f max

Coste Elevado

Complejo

EMI

portadora

f min

f

time

slide97

Lámpara

Detección de RA

Realimentación.

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.

Balasto

Comando

Coste Elevado

Complejo

Fiabilidad

slide98

Onda Cuadrada de Baja Frecuencia.

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

Fiable

Coste Elevado

Eficiencia

slide99

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

  • Etapas necesarias para alimentación com Onda Cuadrada de Baja Frecuencia
slide100

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

  • Etapas necesarias para alimentación com Onda Cuadrada de Baja Frecuencia
slide101

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

v

I

t

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

v

I

t

¡¡IMPORTANTE!!

LA CORRIENTE DEJA DE SER SENOIDAL

v

t

I

slide102

¿Equipo trifásico equilibrado?

¿Regulador de luz de lámp. incand.?

¿Equipo de audio?

CLASE A

CLASE B

¿Soldadura por arco no profesional?

¿Herramienta portátil?

CLASE C

¿Equipo de iluminación?

¿PC o monitor?

¿Receptor de TV?

CLASE D

IEC 61000-3-2

SI

NO

SI

NO

SI

NO

SI

NO

slide104

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

  • Corrección del Factor de Potencia (PFC)
  • Métodos Activos:
    • Semiconductores activos;
    • Convertidores CC-CC (DCM o CCM);
  • Métodos Pasivos:
    • Filtro Valley-Fill y derivaciones;
    • No utiliza semiconductores activos;
slide105

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

  • Corrección del Factor de Potencia (PFC) – Convertidores CC-CC
slide106

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

  • Corrección del Factor de Potencia (PFC) – Convertidores CC-CC
slide107

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

  • Corrección del Factor de Potencia (PFC) – Convertidores CC-CC
slide108

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

  • Buck-Boost, Flyback, Sepic e Zeta

IEC61000-3-2

39aHarm x 60 Hz = 2340 Hz

slide109

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

  • Buck-Boost, Flyback, Sepic e Zeta
slide110

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

  • Buck-Boost, Flyback, Sepic e Zeta
slide115

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

  • Etapas necesarias para alimentación com Onda Cuadrada de Baja Frecuencia
  • Problema: Impedancia Incremental de la Lámpara
slide116

I

i

V

v

Método convencional para obtener el modelo dinámico de la LHM

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

Impedancia

Incremental

Demasiados Ensayos

Resonancias Acústicas

slide118

Método de caracterización por escalón propuesto

Respuesta Temporal

Sistema a Resolver

1

2

3

slide121

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

  • Control de Potencia (PC)
  • Limitación de la corriente en la lámpara;
  • Buck;
    • Simple y con pocos componentes;
  • Flyback;
    • Aislamiento entre entrada y salida;
    • Permite obtener más de una salida en un único convertidor.
slide122

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

  • Etapas necesarias para alimentación com Onda Cuadrada de Baja Frecuencia
slide123

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

  • Etapa Inversora
  • 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;
slide128

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

Control de la Corriente de la Lámpara

Corrección del Factor de Potencia

Etapa Inversora

Balastos de OCBF: Elevados Coste y Complejidad.

Solución: Integración de Etapas.

slide129

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

Balasto de 2 etapas.

Qian, IEEE TransonIndAppl. 2003.

Balasto de 1 etapa.

Simonetti, IAS 2003.

Desventajas: esfuerzos en los semiconductores, elevadas pérdidas.

slide130

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

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

Ventajas: Inversor en medio puente.

Posibilidad de integración con una etapa de CFP.

slide131

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

Reductor + Retroceso

Elevador + Retroceso

Reductor-Elevador + Retroceso

slide132

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

Retroceso + Retroceso

Sepic + Retroceso

Zeta + Retroceso

slide133

Integración de Etapas

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

Grafted switches:

¡Sobrecorriente!

T-Type:

i-T-Type:

slide134

Integración de Etapas

Grafted switches:

¡Sobretensión!

-Type:

i-  -Type:

slide135

Ejemplo de Integración de Etapas

Reductor + Retroceso

Celda de Sobrecorriente (SC)

Celda de Sobretensión (ST)

slide137

Balastos Integrados Propuestos

Reductor + Retroceso

Elevador + Retroceso

Reductor-Elevador + Retroceso

slide138

Balastos Integrados Propuestos

Retroceso + Retroceso (SC)

Retroceso + Retroceso (ST)

Sepic + Retroceso

Zeta + Retroceso

slide139

Resultados Experimentales del Buck + Flyback

Encendido:

 Lámpara fría – 3kV durante 1μs.

 Lámpara caliente – 30kV durante 1 μs.

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

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

slide140

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:

slide141

Resultados Experimentales del Buck + Flyback

Circuito equivalente

Diagrama de bloques

slide142

Resultados Experimentales del Buck + Flyback

Diagrama de Bode de cadena abierta

Para A=12,5

Respuesta ante escalón

slide143

Resultados Experimentales del Buck + Flyback

Resultado de simulación

Regulador digital

Circuito simulado

slide144

Resultados Experimentales del Buck + Flyback

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).

slide145

Resultados Experimentales del Buck + Flyback

Fase de calentamiento:

 Tabla de ciclos de trabajo

 Operación en CC

Régimen Permanente:

 La conmutación en baja frecuencia (100Hz) es activada.

 Empieza el control de corriente (0,42A).

slide146

Resultados Experimentales del Buck + Flyback

Protecciones:

 Si la lámpara apaga.

 Sobrecorriente en el interruptor principal.

 Sobrecorriente en la salida.

slide147

Resultados Experimentales del Buck + Flyback

Aumento del ciclo de trabajo

durante 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).

slide148

Resultados Experimentales del Buck + Flyback

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).

slide149

Resultados Experimentales del Buck + Flyback

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).

slide150

Resultados Experimentales del Buck + Flyback

Tensión (CH2) y corriente (CH1)

de entrada

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

Tensión de bus

(20 V/div; 5 ms/div).

slide151

Resultados Experimentales del Buck + Flyback

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).

slide152

Resultados Experimentales del Buck + Flyback

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) y 5 μs/div (abajo)).

slide155

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

Otros Ejemplos de Integración

slide156

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

Otros Ejemplos de Integración

slide157

Balastos Electrónicos de Onda Cuadrada

Otros Ejemplos de Integración

slide158

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.
slide159

www.ufsm.br/gedre

marcodc@gedre.ufsm.br