3.4.1. Selección de la etapa del ignitor
Para el encendido de la lámpara fluorescente, se pretende el uso de un ignitor, ya que la lámpara por naturaleza tiene dos tipos de operación: el pre-encendido de la lámpara y el estado estable. En el pre-encendido la lámpara presenta una alta impedancia por lo que se requiere que sea alimentada con alto voltaje. Una vez que la lámpara está encendida, se dice que pasa al estado estable en donde presenta una menor impedancia. Para el caso de la lámpara fluorescente NECFCL 32 EX-N – HG, según [11], la impedancia en estado estable es de 150 Ω.
Otra de las cualidades que se busca en el ignitor, es que no interfiera con las características de operación del balastro.
En [5] se muestra un ignitor externo que se muestra en la Figura 3.1. Este ignitor está formado por una resistencia (Rig), un capacitor (Cig), un SIDAC y un transformador diseñado a alta frecuencia, alimentado por una fuente de voltaje (Vin(t)). Opera de tal forma que proporciona pulsos de alto voltaje y alta frecuencia para el encendido de la lámpara fluorescente, sin que pueda interferir en la operación del balastro.
Diseño y Construcción de un Balastro Electrónico de Ondas Cuadradas para Lámparas Fluorescentes
Capítulo 3. Análisis y diseño de las etapas del prototipo del balastro
49
En el caso del cálculo del capacitor Cig, se toma en cuenta la energía que manejaran los elementos pasivos, ya que el capacitor se descarga a través del transformador proporcionando así pulsos de alto voltaje y alta frecuencia a la salida del transformador.
Una de las desventajas del empleo de este ignitor es que al considerar el circuito externo, aumentaría el número de componentes y por consiguiente el tamaño del mismo.
En la Figura 3.11, se muestra la topología utilizada en [6] para el encendido de la lámpara, en donde utiliza un circuito resonante, capaz de incrementar la ganancia de voltaje a una alta frecuencia, en el estado de pre-encendido. Una vez logrado que la lámpara opere en estado estable, se cambia la frecuencia por medio del control del inversor a una más baja. Cabe señalar que el cambio de frecuencia es una desventaja por que al momento de implementarse, puede resultar complejo para el diseñador.
Figura 3.11 Topología del ignitor resonante serie (imagen tomada de [6])
Por otra parte la topología antes mencionada se puede implementar, pero bajo otro principio, no utilizando el principio de resonancia entre sus componentes sino en el que se utilizara la respuesta natural no forzada del circuito LC para el pre-encendido de la lámpara, logrando sobretiros de voltaje altos que enciendan la lámpara. Esto con el fin de que el inversor no cambie la frecuencia en los estados de operación y no se tenga el detalle de una programación compleja o adherir más componentes al circuito de control del inversor para un cambio de frecuencia.
De las anteriores topologías se puede concretar las ventajas y desventajas de los tipos de ignitores mostradas en la Tabla 3. 1 y se resume que de acuerdo a sus características que el ignitor que se seleccionará para encender la lámpara es el ignitor de respuesta natural.
Diseño y Construcción de un Balastro Electrónico de Ondas Cuadradas para Lámparas Fluorescentes
Capítulo 3. Análisis y diseño de las etapas del prototipo del balastro
50
Tabla 3. 1 Ventajas y desventajas de los circuitos ignitores.
Tipo de
inversor Ventajas Desventajas
Ignitor
externo - Menor tamaño del transformador - Picos de voltaje altos
- Circuito externo
- Mayor número de componentes.
Ignitor resonante serie
- Alimentación con voltajes altos en la carga
- Simplicidad
- Menor cantidad de componentes
- Cambio de Frecuencia
programación o circuitos asociados incrementan el circuito o lo vuelven más complejo.
Ignitor de respuesta natural
- Sobretiros de voltaje altos de acuerdo a la respuesta natural - Simplicidad
- Menor cantidad de componentes
- El tamaño del transformador puede variar de acuerdo a la respuesta natural
3.4.2. Análisis de la etapa del ignitor
El ignitor de respuesta natural encenderá a la lámpara de acuerdo a la respuesta natural no forzada de una red LC, la cual está compuesta por el primario del transformador La y el
capacitor Cx. En la Figura 3. 12, se muestra el circuito de la topología de la etapa del ignitor que será utilizada para el encendido de la lámpara.
Figura 3. 12 Topología seleccionada para la etapa del ignitor
Para fines de que el circuito ignitor no interfiera en el circuito del balastro, en el análisis se considera que la impedancia capacitiva es mucho mayor que la impedancia proporcionada por el secundario del autotransformador, como se muestra a continuación.
S x
L C
X X (3.32) Por otra parte se designa a Q como la relación que existe entre la impedancia generada por los elementos pasivos y la resistencia de la lámpara, la cual se obtiene:
2 2 x C R U R X (3.33)
Diseño y Construcción de un Balastro Electrónico de Ondas Cuadradas para Lámparas Fluorescentes
Capítulo 3. Análisis y diseño de las etapas del prototipo del balastro
51
En la ecuación (3.34), se muestra la expresión para obtener la impedancia capacitiva en relación con la resistencia de la lámpara y U.
2 1 1 x C X R U (3.34) Después de haber obtenido la impedancia capacitiva, se procede a obtener el valor del capacitor Cx. 1 x BF C C w RX (3.35) A partir de la obtención del valor del capacitor Cx del ignitor, se adquiere la magnitud de la inductancia del primario del transformador La y el capacitor Cx tengan un
comportamiento de respuesta natural no forzada en función de una alta frecuencia, como se comporta una red RL, el cual se desarrolla de las siguientes expresiones:
1 HF a x w L C (3.36) 2 1 a HF x L w C (3.37) Para efectos de diseño del transformador, para que su impedancia no influya en la carga, se considera la siguiente expresión:
a b
L L
X X R (3.38) Por otro lado, se considera que la variable P representa la relación que existe en la impedancia total del transformador con respecto a la impedancia de la lámpara dada en la ecuación (3.39). a b L L R P X X (3.39)
Desarrollando la ecuación (3.39), mediante la sustitución de XLa y XLbpor sus
definiciones, se tiene que:
BF a b R P w L L (3.40)Diseño y Construcción de un Balastro Electrónico de Ondas Cuadradas para Lámparas Fluorescentes
Capítulo 3. Análisis y diseño de las etapas del prototipo del balastro
52
Sabiendo que Lb=n2La y sustituyendo en (3.40), el valor de la variable P sería:
2
1 BF a R P w L n (3.41)Para el cálculo de la inductancia del segundario Lb se toma en consideración que su
diseño tiene que ser a una alta frecuencia, para que su valor no posea gran efecto en el estado estable de la lámpara. La relación de vueltas del transformador del ignitor está dada por la ecuación (3.42). 1 BF a R n w PL (3.42) Por lo tanto la expresión para la magnitud del devanado secundario Lb esta dado por
la ecuación:
2
b a
L n L (3.43)