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1. WO2011059304 - INVERSEUR ÉLECTRONIQUE POURVU D'UNE PROTECTION CONTRE LES DÉCHARGES GÉNÉRÉES PAR UN MAUVAIS FONCTIONNEMENT DE LAMPES À DÉCHARGE DE GAZ OU FLUORESCENTES À LA FIN DE LEUR VIE UTILE

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[ ES ]

INVERSOR ELECTRÓNICO CON PROTECCIÓN PARA DESCARGAS GENERADAS POR MAL FUNCIONAMIENTO EN LÁMPARAS DE DESCARGA DE GAS O FLUORESCENTES AL FINALIZAR SU VIDA ÚTIL

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de esta invención es ofrecer un inversor de onda completa, caracterizado por estar protegido contra los fenómenos generados a través de la vida de la lámpara o lámparas y que se mantenga útil, cuando dicha lámpara conectada a su circuito llegue al final de su vida y pueda ser remplazada en el mismo inversor por una lámpara nueva, donde el inversor deja de operar en el momento de falla de la lámpara. Para lograr este objetivo, se deben considerar todas las características del comportamiento de las lámparas a lo largo de su vida y proteger así a sus dos transistores por ser la parte expuesta, ya que dichos transistores por su colocación, en cualquier anomalía en el circuito de señal traslapan su ciclo de conducción quedando estos en corto circuito.

Otra ventaja de esta invención es que en sus circuitos de señal para la conmutación alternada de sus dos transistores, se efectúa con la ayuda de diodos en lugar de condensadores con lo que se eliminan todas las descargas internas ya que de este modo las corrientes de señal no se interrumpen únicamente cambian de sentido en forma armónica, por lo que se logra una eficiencia de un rango mayor al tres por ciento, en comparación a los inversores actuales.

A pesar de la gran eficiencia, que como es sabido tiene el tubo de descarga de gas a baja presión o fluorescente, así como su más larga duración que es del orden de diez veces mayor a la vida útil del foco incandescente. Al tener que remplazar todo el conjunto cuando la lámpara llega al final de su vida, esto perjudica sus cualidades ya que en comparación al costo del foco incandescente, que es del orden de diez veces menor que el conjunto rectificador-inversor más la lámpara.

Para poder comparar en forma más equitativa la lámpara fluorescente con el foco incandescente, tomando en cuenta su eficiencia luminosa, la lámpara fluorescente tiene 68 Lúmenes/Watt y el foco incandescente tiene únicamente de 10 a 15 Lúmenes/Watt. (IES Lighting Handbook 8-9, 8-11, 8-26). La relación duración-costo del foco incandescente común, se tiene perfectamente

determinada para penetrar en todas las economías principalmente en las más bajas. Por medio de este invento, la vida de la lámpara fluorescente puede ser calculada similar a la del foco incandescente común y en esta habrá un ahorro de energía con menos costo inicial.

Cuando se adquiere por primera vez el conjunto inversor lámpara este se adhiere girándolo en la cuerda del enchufe (socket) convencional como se hace en la actualidad, y por medio de este invento, la nueva lámpara es fácil de conectar ya que el inversor aunque quede conectado al circuito de alimentación, con la lámpara fundida éste permanece sin oscilar y por lo tanto sin consumir energía, hasta que se presione el botón de reinicio de posición normalmente abierto, colocado en el cuerpo del inversor, una vez instalada la lámpara nueva, que puede contar con dos bornes o contactos en cada extremo, similares a los de las lámparas de encendido rápido actuales. Por ser el costo del inversor de este invento competitivo con los inversores actuales, se pueden aprovechar los remplazos de lámparas y su costo prorratear en el costo de las nuevas lámparas.

ANTECEDENTES

Los circuitos de Inversor de onda completa considerados aquí, son diseñados para convertir un voltaje de entrada de corriente directa, a un voltaje de salida de alta frecuencia del orden de 20 kHz. a 100 kHz, utilizados como balastra en lámparas de descarga de gas a baja presión o fluorescentes, más particularmente citadas aquí únicamente como lámpara. Estas lámparas pueden ser de varios tipos, la más adecuada para este tipo de inversor es la clasificada como encendido rápido por ser más eficiente que la de cátodo-frio. La alimentación de estos inversores puede ser obtenida desde la red de alimentación de corriente alterna, a través de circuitos rectificadores a base de diodos y condensadores utilizados como filtros, o como dobladores de voltaje, o bien circuitos con moduladores de pulso entre otros arreglos, esto con el fin de evitar las armónicas generadas hacia la red de alimentación por los condensadores, los cuales son utilizados según necesidades requeridas de acuerdo con estándares establecidos.

Estos circuitos de inversor que consisten en tener dos transistores de las mismas características, que están conectados en serie entre los bornes positivo (+) y negativo (-) de alimentación del inversor, los cuales conducen alternativamente quedando en serie con la lámpara en el momento que conducen y esto se logra por medio de un pequeño transformador de núcleo toroidal, la señal inducida en sus devanados maneja la conducción alternada de los

transistores. La lámpara a su vez está conectada en serie con un inductor y un capacitor, con lo que se logra una respuesta de corriente y voltaje senoidal a una frecuencia de resonancia del sistema previamente determinada.

Estas lámparas tienen filamentos de tungsteno mezclado con óxidos alcalinos que están colocados en cada uno de sus extremos, y al emitir electrones producen las descargas a través del gas que contiene la lámpara. La temperatura de estos filamentos en operación normal es de 1100 grados Centígrados (Pag. R 8-19 IES Lighting Handbook.), y son calentados permanentemente por el inversor finalizando la vida de la lámpara cuando estos filamentos dejan de emitir o se interrumpen. El arco eléctrico en su interior se efectúa por los gases que contiene, principalmente por el gas argón y la corriente eléctrica del arco se incrementa al gasificarse instantáneamente el mercurio que también contiene en su interior.

Estos inversores tienen la ventaja de no utilizar transformador de salida para la lámpara, debido a que aprovechan las ventajas que ofrecen los transistores actuales, que pueden conmutar en altos voltajes (varios cientos de volts).

En la actualidad estos inversores por su gran eficiencia y buena respuesta hacia la lámpara, tienden a suplir al foco incandescente. Es fácil observar que cuando está por finalizar la vida de una lámpara, uno se sus extremos emite mas destellos en luz rojiza que el otro, ya que el tungsteno de sus filamentos no se sublima en igual forma, conduciendo uno más que el otro y por lo tanto no son simétricas sus descargas, además que el gas se vuelve más conductor por la sublimación del tungsteno, disminuyendo el voltaje en los extremos de la lámpara, efectuándose descargas asimétricas y de frecuencia mayor a las de operación normal.

Este fenómeno puede durar varias horas y mientras que para la balastra electromagnética convencional este fenómeno no tiene importancia, especialmente para este tipo de inversor es altamente nocivo por la asimetría y duración de las descargas ya que afectan directamente al ciclo de conducción de sus transistores. Estas descargas pasan a través del devanado primario del transformador reflejándose en los ciclos de conducción alternada de lo transistores que al haber asimetría en su forma de onda, esta se refleja en el traslape de los ciclos de conducción de los transistores poniéndolos en corto circuito, por estar estos directamente conectados entre los bornes positivo y negativo de alimentación del inversor y operar en forma alternativa. Por lo que, cuando se funde la lámpara también se funde el inversor. En la US Pat. 4,782,268 se indica que hay que substituir el circuito electrónico junto con la lámpara cuando esta falla. En el invento: M.X. Pat. 143143 C.A. Pat.1111901, U.S. Pat.4276496, es un inversor primitivo únicamente de media onda, donde las consecuencias de este fenómeno de mal funcionamiento de la lámpara, se amortiguan en este caso a base de retroalimentación negativa y un transformador de núcleo no saturable sin embargo el inversor sigue oscilando con la lámpara fundida y su transistor de salida llega a fallar por calentamiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Los diagramas aquí mostrados ayudan a comprender en forma ilustrativa las características del invento:

Fig.l es un diagrama completo del inversor con rectificador doblador de voltaje y lámpara en el circuito.

Fig.2 es un diagrama ilustrativo del recorrido de las corrientes en la etapa de energizado de los elementos del inversor.

Fig.3 es un diagrama ilustrativo del recorrido de las corrientes en la etapa de des-energizado de los elementos del inversor.

Fig. 4 es un diagrama ilustrativo del un arco eléctrico en la lámpara en su etapa de mal funcionamiento al finalizar su vida útil.

Fig. 5 muestra el transformador de núcleo tubular en detalle.

Fig. 6 muestra una imagen de una descarga eléctrica en la lámpara al finalizar su vida, obtenida por medio del osciloscopio 2255 y cámara digitalizadora modelo DCS01 y AM503B probador amplificador de corriente.

Fig. 7 muestra la corriente en la lámpara en operación normal, durante su vida útil obtenida con el mismo equipo.

Fig. 8 muestra la forma en que se puede conectar más de un lámpara al circuito de la Fig. 1 agregando el condensador 44, en serie con la lámpara 49, y al punto positivo (+) 34, el condensador 46, en serie con el filamento 45, y el filamento 47, y la inductancia 48, en paralelo con la inductancia 7.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

En referencia a la Fig.l, Los diodos 8, y 22, comúnmente llamados de libre rodamiento, que generalmente están integrados por el fabricante en el cuerpo del transistor utilizados para protegerlos del voltaje de pico-inverso. Con el objeto de poder tener mayor respuesta en dichos diodos en el invento se conecta el diodo 8, de positivo (+) 34, al punto 43, excluyendo la resistencia 12, y el diodo 22, de negativo (-)35, al punto 43, excluyendo a la resistencia 11.

La operación del circuito de arranque del inversor es de la forma siguiente: una vez conectado el circuito en la fuente de alimentación de corriente alterna en los puntos 40 y 41, los condensadores 38 y 39, debido a los diodos rectificadores 36 y 37 como es conocido, entre el punto negativo (-) 35 y el punto positivo (+) 34, hay un voltaje rectificado de onda completa del doble del voltaje de alimentación de corriente alterna.

Partiendo del punto positivo (+)34, por el condensador 2, el filamento 3, el condensador 4, y el filamento 6 ambos de la lámpara 5, por la inductancia 7, el devanado primario 19, por la resistencia 31, y el condensador 30, se cierra el circuito en el punto negativo (-)35, y cuando el condensador 30, queda energizado, el diac 32, se pone en estado de conducción dejando pasar corriente en el punto 25 que es la base del transistor 9, por su emisor que es el punto 10, y a través de la resistencia 11, a negativo (-)35. Por lo que el transistor 9, comienza a conducir.

Con el objeto de dar una mayor claridad al comportamiento de este inversor en particular, su operación se considera en dos etapas: la etapa de energización y la etapa de des-energización.

Una vez iniciado el arranque volviendo conductor al transistor 9, En la Fig.2 se puede observar a detalle la etapa de energización del inversor, que principia por el punto positivo (+)34, donde pasa la corriente por el condensador 2, y a través del filamento 3, el condensador 4, y el filamento 6, ambos de la lámpara 5, y a la vez entre dichos filamentos de la lámpara 5, se efectúa el arco eléctrico que pasa por el inductor 7, el devanado primario 19, por el colector del transistor 9, y por su emisor 10, por la resistencia 11, y a negativo (-)35. Simultáneamente el devanado primario 19, magnéticamente acoplado al transformador de núcleo tubular que por simplicidad no está dibujado en los circuitos y mostrado claramente en la Fig.5, que induce un voltaje en el devanado secundario 18, Fig. 2, que genera la corriente que circula a través de la resistencia 26, y por el punto 25, que es la base del transistor 9, por el punto 10, que es su emisor y por la resistencia 11, cerrándose el circuito en el devanado secundario 18, llevando al transistor 9, a su máxima conducción y por consecuencia a la máxima descarga de la lámpara 5. Esta corriente generada en el devanado secundario 18, circula en

dirección positiva, o sea en él mismo sentido que las manecillas del reloj como lo ilustra la Fig. 2. Simultáneamente por el devanado secundario antagonista 17, se genera una corriente que pasa por la resistencia 12, por el punto 13, por el diodo 21, y por el diodo 20, cerrándose el circuito en el devanado secundario antagonista 17. Como se puede observar, el punto 13, que es el emisor del transistor 1, tiene mayor potencial que el punto 24, que es la base del transistor 1, por lo que dicho transistor no conduce, quedando energizados, el condensador 2, y el condensador 4. Esta etapa de energización del inversor concluye cuando el núcleo tubular del transformador Fig.5, se satura.

En dicho instante se inicia el ciclo de des-energización invirtiéndose por un principio conocido las corrientes en el inversor Fig.3, en el devanado secundario antagonista 17, se genera una corriente que circula en sentido positivo, que pasa por la resistencia 23, por el punto 24 que es la base del transistor 1, por el punto 13 que es el emisor del transistor 1, y por la resistencia 12, cerrándose el circuito en el devanado secundario antagonista 17, esta corriente actúa en el transistor 1, poniéndolo en su estado de máxima conducción. Simultáneamente en el devanado secundario 18, se genera una corriente que circula en sentido negativo que pasa por la resistencia 11, por el punto 10, por el diodo 28, por el diodo 29, cerrándose el circuito en el devanado secundario 18. Como se puede observar el punto 10, es más positivo que el punto 25, por lo que el transistor 9, no puede conducir y la etapa de des-energización del inversor concluye cuando el condensador 2, y el condensador 4, se descargan completamente.

Las etapas de energización y des-energización en las descargas de la lámpara, forman corrientes y voltajes de forma senoidal, correspondiendo la etapa de energización del inversor al lado positivo de la senoide, y la etapa de des-energización al lado negativo. La frecuencia de operación del sistema la determina el valor total de la capacitancia y de la inductancia que contienen los circuitos del inversor, y se puede calcular aplicando la formula conocida para circuitos resonantes.

Como se puede observar en la Fig.2, y la Fig.3, en los circuitos para conducción y para no-conducción en sus transistores 1 y 9, las corrientes inducidas cambian de sentido en forma armónica pero no se interrumpen con el propósito de no generar descargas y fenómenos transitorios dentro del propio circuito que pueden afectar al buen funcionamiento del inversor, mejorando su operación hasta en un tres por ciento en comparación de los inversores actuales. La Fig.4, es un diagrama ilustrativo del comportamiento de las corrientes generadas por

mal funcionamiento de la lámpara 5, al finalizar su vida, descargas no simétricas y a una frecuencia superior a la de operación normal. Como se puede observar la corriente que parte del punto positivo (+) 34, pasando por el condensador 2, por el filamento 3, por el condensador 4, por el filamento 6, efectuándose la descarga de mal funcionamiento de la lámpara 5, pasando por el inductor 7, y por el devanado primario 19, que cuenta con la reactancia inductiva necesaria y suficiente para limitar estas ondas de corriente.

Estas descargas prolongadas generan calor en el devanado primario 19, con el objeto de evitar estos calentamientos, este invento cuenta con un circuito de dos diodos de alta recuperación 14 y 15, cuyos ánodos están directamente conectados respectivamente a los extremos del devanado primario 19, y cuyos cátodos unidos entre sí están conectados a una resistencia 16, donde su otro extremo está directamente conectado al potencial negativo del circuito punto 35, y de esta manera se logran mandar a negativo (-)35, las descargas de mayor frecuencia a la estipulada, por lo que el devanado primario 19 no puede inducir el voltaje suficiente en el devanado secundario antagonista 17, para que este pueda generar la corriente necesaria que haga conductor al transistor 1, y el condensador 2, y el condensador 4, no se pueden descargar por lo que el inversor deja de oscilar. Para lámparas de muy pequeña potencia menos de 10 Watts, el calentamiento del devanado primario 19, no es muy fuerte por lo que por ahorro de costo se pueden eliminar los rectificadores de alta recuperación 14 y 15, y la resistencia 16, ya que el circuito deja de operar debido a la reactancia inductiva del devanado primario que por la posición de la resistencia 31, Fig.l, no mandara señal de arranque, quedando cargados los condensadores 2 y 4, al haber alguna anomalía o mal funcionamiento de la lámpara de acuerdo con la patente.

Una vez conectada una nueva lámpara se oprime manualmente el botón contacto 33, Fig.l, de posición normalmente abierto, para que el condensador 2, y el condensador 4, a través de los filamentos 3 y 6, de la nueva lámpara 5, se descarguen y el inversor vuelva a operar en forma normal.

Para que los condensadores 2 y 4, queden energizados y el inversor deje de oscilar en caso de mal funcionamiento de la lámpara 5, es necesario que la resistencia 31, este conectada a través del devanado primario 19, la inductancia 7, los filamentos 3 y 6, de la lámpara 5 y los condensadores 4 y 2, al positivo (+)34, en la tecnología antigua la resistencia 31, está directamente conectada al polo alimentador 34 o 35, por lo que el diac 32, estará mandando impulsos haciendo al transistor 9, conductor sin importar las condiciones de descarga de la lámpara, ya que el inversor seguirá oscilando al impedir que el transistor 9, deje de conducir descargándose el condensador 2 y el condensador 4 a través del transistor 1.

La característica de alta reactancia inductiva del transformador de núcleo tubular Fig.5, se logra manteniendo al mínimo el recorrido de las líneas magnéticas en su núcleo, esta dimensión está limitada en su diámetro interior al espacio que requieren los tres devanados con el mínimo de vueltas, y para disminuir la reluctancia del núcleo es necesario incrementar el área de su sección transversal sin aumentar el recorrido del flujo magnético y esto se logra incrementando el lado mayor de su sección transversal, por lo que dicho núcleo adquiere su forma tubular y su longitud se incrementa a un límite tal, que la reactancia inductiva resultante no disminuya la frecuencia de resonancia de diseño, a la vez que pueda limitar las descargas de mayor frecuencia al pasar por sus devanados.

El condensador 42, y la inductancia 27, forman un filtro con el fin de proteger al circuito del inversor sobre fenómenos que ocurran en la línea de alimentación de corriente alterna conectada a los puntos 40 y 41.

Valores de un circuito ilustrativo del invento Fig. 1 y Fig. 8.

Se presentan dos casos 17 Watts y 80 Watts para ilustrar el alcance que tiene el invento.

Doblador de voltaje a 120 volts corriente alterna de alimentación en ambos casos.

Para una lámpara de 17 Watts Para dos lámparas de 40 Watts

1, 9, Transistor 1, 9, Transistor

MJE 13007 To 220 MJE 13007 To 220

2, Condensador poliéster 2, 44, Condensador poliéster

.047uF a 400v .047 uF a 400v

4, Condensador poliéster 4, 46, Condensador poliéster

.0039 uF a 1600v .021 uF a l600v

38, 39 Condensador electrolítico 38, 39 Condensador electrolítico

22uF a 250v lOOuF a 250v

7, Inductancia 4.27 mH 7, 48, inductancia 2.86 mH 11, 12, Resistencia .9 ohms 11, 12, Resistencia .9 ohms

Diodo AR Diodo AR

14, 15, 8, 20, 21, 22, 28, 29, 14, 15, 8, 20, 21, 22, 28, 29, 36, 37 Diodo 1N4007 36, 37 Diodo 1N4007 16, Resistencia 6.6 megohms 16, Resistencia 70 kohms 23, 26, Resistencia 6.8 ohms 23, 26, Resistencia 6.8 ohms

30, Condensador cerámico 30, Condensador cerámico

.014uF a 600v .0047uF a 600v

31, Resistencia 50 k ohms 31, Resistencia 100 k ohms

32, Diac DB3 32, Diac DB3

Un transformador de núcleo Un transformador de núcleo de ferrita de forma tubular de ferrita de forma tubular .122" x .111" x .244" 314" x .227" x .347" devanado primario devanado primario dos vueltas dos vueltas

devanado secundario devanado secundario tres vueltas tres vueltas

devanado secundario devanado secundario antagonista tres vueltas antagonista tres vueltas 27 Inductancia .01 mH 27 Inductancia .01 mH 42 Condensador poliéster 42 Condensador poliéster .047uF 600v .047uF 600v