Sistema de alimentación para lámpara de descarga de alta intensidad y método para controlar una lámpara de descarga de alta intensidad.

La invención se refiere a un sistema y método relacionado para controlar una lámpara de descarga de alta intensidad que comprende suministrar una señal desde una cascada de conmutadores electrónicos a un circuito de balasto y a una lámpara.

El circuito de balasto incluye un primer condensador y un circuito resonante que comprende a su vez una primera inductancia y un segundo condensador. El sistema comprende una primera unidad de control conectada a la cascada de conmutadores que genera una primera señal de control de frecuencia variable y ciclo de trabajo constante para controlar la cascada de conmutadores, así como una segunda unidad de control conectada a la primera unidad de control y que genera una segunda señal de control de frecuencia constante y ciclo de trabajo variable para controlar la primera unidad de control. El balasto incluye además una segunda inductancia conectada en la salida de la lámpara.

Sistema de alimentación para lámpara de descarga de alta intensidad y método para controlar una lámpara de descarga de alta intensidad

Campo de la invención

La invención se refiere a un sistema de alimentación de potencia para lámpara de descarga de alta intensidad y a un método para controlar una lámpara de descarga de alta intensidad.

Técnica anterior

Gracias a su alta eficiencia, que varia desde 1 hasta 15 Im/W, las lámparas de descarga de alta intensidad se usan ampliamente en sistemas de iluminación urbanos y de gran formato. En los sistemas de encendido y alimentación típicos de las lámparas de descarga de alta intensidad, hay un balasto inductivo y un cebador, que genera una alta tensión en este balasto hasta el momento de encendido de la lámpara. Después del encendido, la inductancia del balasto limita el flujo de corriente a través de la lámpara. Para reducir la degradación de los electrodos, suele usarse una tensión de alimentación de onda cuadrada para alimentar las lámparas de descarga de alta intensidad con inductancia limitante.

Un sistema típico para alimentar lámparas de descarga a partir de la red eléctrica de CA se compone de un rectificador de diodo y un sistema de corrección de factor de potencia (PFC), que son una fuente interna de tensión estabilizada de aproximadamente 4 V. Esta tensión alimenta un sistema en cascada de conmutadores electrónicos (también conocidos como transistores), de tipo de puente completo o semipuente, que, estando controlado mediante un sistema de control apropiado, es una fuente de tensión alterna de valor establecido, en el que el valor de la inductancia en serie limita la corriente que discurre a través de una lámpara al valor establecido. Los circuitos con frecuencia regulada se complementan mediante un condensador que está en paralelo a una lámpara y en serie a una inductancia, para obtener un circuito resonante en serie. La generación de una tensión alterna con una frecuencia próxima a la frecuencia autorresonante de este circuito en la cascada de conmutadores induce una alta tensión alterna en un condensador de dicho circuito. Esta tensión se usa para iniciar el encendido de las lámparas de descarga.

El documento "High Intensity Discharge lamps - Technical information on reducing the wattage", publicado por la empresa OSRAM en marzo de 29, trata sobre métodos de reducción y regulación de una potencia alimentada a lámparas de descarga. En soluciones típicas, el único elemento que estabiliza una potencia alimentada a una lámpara es una inductancia, mientras que la regulación de potencia, con estabilidad de corriente y frecuencia de red eléctrica establecidas, se realiza seleccionando una inductancia específica para una potencia prevista. Tal solución es sensible a los cambios de parámetros de la red eléctrica y, en la práctica, fuerza a construir una red de alimentación separada para los sistemas de iluminación urbanos.

La alimentación de lámparas de descarga de alta intensidad usando frecuencias superiores a 1 kHz produce la formación de ondas acústicas que, en un intervalo de frecuencia amplio de alimentación (desde 1 kHz hasta 1 MHz), dan como resultado la aparición de resonancia acústica. Este fenómeno desestabiliza un flujo de corriente a través de plasma, lo que provoca una inestabilidad del arco de descarga de la lámpara, el parpadeo de la lámpara y en casos extremos incluso daños mecánicos de un sistema de encendido. Métodos típicos de eliminación de este efecto consisten en la alimentación de las lámparas de alta intensidad con varias tensiones de alimentación, la principal de un intervalo de frecuencia en el que puede producirse la resonancia, y la segunda de frecuencia más alta que estabiliza el arco de descarga. La memoria descriptiva de la patente europea EP 1327382 da a conocer un método de alimentación de lámpara de descarga, en el que para reducir una resonancia acústica adversa, se usan modulación de frecuencia (FM) y modulación de ancho de impulso (PWM) de la tensión de onda cuadrada que alimenta el balasto, lo que da como resultado una modulación de amplitud adicional (AM) de la onda de alimentación.

Según las soluciones tratadas, la regulación de la potencia alimentada a una lámpara incluye mediciones de tensión y corriente sobre los electrodos de la lámpara y un cambio de parámetros de la onda de tensión de alimentación, por ejemplo, cambio de una amplitud de tensión, cambio de una frecuencia o cambio de su ciclo de trabajo.

Para inducir un encendido de una lámpara de descarga de alta intensidad, es necesario generar una alta tensión de desde 2,5 kV hasta 15 kV. Uno de los métodos para generar la tensión apropiada es alimentar el circuito que tiene una inductancia e incluye un condensador, estando conectado dicho condensador en serie con la inductancia y en paralelo a la lámpara, formando el condensador y la inductancia un circuito resonante en serie, cuya frecuencia de corriente es próxima a la frecuencia resonante de funcionamiento del circuito. Al alcanzar la tensión de encendido, se inicia el encendido de la lámpara como resultado de la generación de alta tensión en el condensador que está en paralelo a la lámpara.

La publicación internacional WO 28/132662 da a conocer un uso de sistema de encendido en sistemas con

inductancia limitante y un sistema de alimentación de puente completo que emplea una cascada de conmutadores electrónicos, para generar una alta tensión en el momento de encendido en un condensador que está en paralelo a una lámpara, o para la detección de una disminución de arco de descarga en una lámpara.

En el caso de sistemas de encendido en serie resonantes, la eficacia de obtención de altas tensiones en un condensador resonante depende de la capacidad de dicho condensador. En la práctica, para el intervalo de valores de intensidades de corriente que son seguras para un sistema de lámpara (hasta 2 A), con el fin de obtener tensiones del orden de varios o de docenas de kilovoltios en un condensador resonante, su capacidad se limita a varios nanofaradios. Por otro lado, la capacidad de este condensador está relacionada directamente con la frecuencia resonante.

/ =

2 jtVZc

(donde: f- frecuencia resonante, L - inductancia, C - capacidad).

La frecuencia resonante también depende del valor de la inductancia limitante L, que depende de la frecuencia y la tensión que alimenta la lámpara de descarga y de la potencia suministrada prevista a la lámpara. Generalmente, en caso de lámparas con una potencia que varía desde 3 hasta 4 W que se alimenta mediante alimentaciones sobreacústicas, el valor de la inductancia L varía desde varias docenas de pH hasta varios mH. Por consiguiente, los valores de factor de calidad Q obtenidos en estos sistemas, que son iguales a:

L_

(Q - factor de calidad, R - resistencia en serie sustituta del sistema, L - inductancia, C - capacidad), son altos y las curvas de resonancia están caracterizadas por pendientes empinadas, lo que da como resultado la necesidad de una selección muy precisa de las frecuencias de inducción para sistemas de encendido resonantes particulares de lámparas de descarga. Debido a la tolerancia aceptada de los parámetros de los productos comerciales, la diversificación de los valores reales de inductancia y capacidad da como resultado una dispersión de las frecuencias resonantes de los sistemas, lo que a su vez fuerza la implementación de técnicas que emplean cambios de frecuencias de la tensión de alimentación para generar una alta tensión.

Normalmente, el método usado hasta ahora de encendido resonante en sistemas de alimentación-encendido para lámparas de descarga (para frecuencias superiores a 1 kHz, especialmente frecuencias superacústicas) consiste en alimentar el circuito resonante (formado por una inductancia y un condensador) con una tensión alterna de frecuencia más alta que la frecuencia resonante del circuito resonante. A continuación, se reduce la frecuencia a un valor próximo a la frecuencia resonante, al que la tensión generada en el condensador resonante es suficiente para el encendido de lámpara. Tras el encendido, tiene lugar una reducción adicional de la frecuencia, hasta un valoren el que la inductancia limitante limita la corriente que discurre a través de la lámpara al valor establecido. Este método conduce inevitablemente a que la frecuencia de alimentación se iguala en un momento dado a la frecuencia resonante, y en el caso de falta de lámpara o de su daño esto da como resultado la generación de tensiones muy altas en el condensador resonante a valores de corriente sustanciales consumidos por el sistema de alimentación. Dado que una alta tensión...

Sistema de alimentación para lámpara de descarga de alta intensidad que comprende una fuente de tensión estabilizada (PFC) que alimenta una cascada de conmutadores electrónicos (T1, T2) de tipo de semipuente o de puente completo, estando la cascada conectada con una lámpara (3) y un balasto, incluyendo el balasto al menos un primer condensador (C1) y una primera inductancia (L1) conectados en la entrada de la lámpara (3) y un segundo condensador (C2) conectado en paralelo a la lámpara (3), formando la primera inductancia (L1) y el segundo condensador (C2) un circuito resonante, en el que dicho sistema incluye:

una primera unidad de control (1) conectada a dicha cascada de conmutadores electrónicos (T1, T2), que comprende un primer generador de señal (1) que genera una primera señal de control de frecuencia variable y ciclo de trabajo constante para controlar dicha cascada de conmutadores electrónicos (T1, T2), y

una segunda unidad de control (2) conectada a dicha primera unidad de control (1), que genera una segunda señal de control para controlar dicha primera unidad de control (1),

caracterizado porque la segunda unidad de control (2) está adaptada para generar una segunda señal de control de frecuencia constante y ciclo de trabajo variable, enviándose dicha segunda señal de control a dicha primera unidad de control (1) para variar periódicamente la frecuencia de dicha primera señal de control entre una primera frecuencia y una segunda frecuencia,

caracterizado además porque el balasto Incluye además una segunda inductancia (L2) conectada en la salida de la lámpara (3), que separa la lámpara (3) del segundo condensador (C2).

Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque una señal de excitación generada en la salida de la cascada de conmutadores electrónicos (T1, T2) bajo el control de la primera unidad de control (1) es cuadrada y su ciclo de trabajo es del 5%.

Sistema según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque Incluye un primer elemento de medición (A1) entre la fuente de tensión estabilizada (PFC) que alimenta el sistema y la cascada de conmutadores electrónicos (T1, T2) para medir la corriente de alimentación y enviar dicha medición a la segunda unidad

de control (2).

Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque Incluye un segundo elemento de medición (A2) para medir la corriente que discurre a través del circuito resonante que incluye la primera inductancia (L1) y el segundo condensador (C2) y enviar dicha medición a la segunda unidad de control

(2).

Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque Incluye un tercer elemento de medición (A3) para medir la corriente que discurre a través de la lámpara (3) y enviar dicha medición a la segunda unidad de control (2).

Sistema según las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque los elementos de medición primero, segundo y tercero (A1, A2, A3) son unidades de medición resistivas.

Sistema según las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque los elementos de medición primero, segundo y tercero (A1, A2, A3) son unidades de medición inductivas.

Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 7, caracterizado porque la segunda unidad de control (2) incluye un segundo generador de señal PWM (2) y una unidad de comparadores (3), que controla el segundo generador de señal PWM (2), recibiendo la unidad de comparadores las mediciones realizadas por al menos uno de los elementos de medición primero, segundo y tercero (A1, A2, A3) y controlando la salida del segundo generador de señal PWM (2) en función de dichas mediciones.

Sistema según la reivindicación 8, caracterizado porque el segundo generador de señal PWM (2) es un microchip.

Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la lámpara de descarga de alta intensidad (3) es una lámpara de sodio.

Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la lámpara de descarga de alta intensidad (3) es una lámpara de halogenuros metálicos.

Método para controlar una lámpara de descarga de alta intensidad en un modo de encendido de la lámpara

y en un modo de alimentación de la lámpara, que comprende suministrar una señal de excitación desde una cascada de conmutadores electrónicos (T1, T2) a un circuito de balasto y a una lámpara (3), incluyendo dicho circuito de balasto al menos un primer condensador (C1) y un circuito resonante que comprende una primera inductancia (L1) y un segundo condensador (C2), comprendiendo el método además las etapas de

generar una primera señal de control de frecuencia variable y ciclo de trabajo constante para controlar dicha cascada de conmutadores electrónicos (T1, T2);

controlar la frecuencia de dicha primera señal de control de frecuencia variable y ciclo de trabajo constante;

caracterizado porque la etapa de controlar la frecuencia de la primera señal de control comprende además la etapa de:

usar una segunda señal de control de frecuencia constante y ciclo de trabajo variable, de tal manera que la frecuencia de la primera señal de control para controlar la cascada de conmutadores electrónicos (T1, T2) varía periódicamente entre una primera frecuencia y una segunda frecuencia,

y caracterizado además porque, en el modo de encendido de la lámpara de descarga de alta intensidad, el método comprende la etapa de:

controlar una señal de excitación de alta tensión y frecuencia de fluctuación periódica suministrada por la cascada de conmutadores electrónicos (T1, T2) para excitar el circuito resonante de modo que la frecuencia más alta (Fmax.) de dicha señal de excitación es menor que un valor de frecuencia subresonante de encendido estático (Festat), frecuencia subresonante de encendido estático (Festat) para la cual la tensión generada en el segundo condensador (C2) del circuito resonante es suficiente para el encendido de la lámpara (3).

Método según la reivindicación 12, caracterizado porque se genera una primera señal de control de frecuencia variable y ciclo de trabajo constante del 5% mediante el uso de una segunda señal de control cuadrada de frecuencia constante y ciclo de trabajo variable.

Método según la reivindicación 12 ó 13, caracterizado porque, en el modo de encendido, durante el suministro de la señal de excitación de frecuencia de fluctuación periódica, comprende:

medir un valor de corriente de alimentación entre una fuente de tensión estabilizada (PFC) y la cascada de conmutadores electrónicos (T1, T2) por medio de un primer elemento de medición (A1), y

comparar el valor corriente medido con un valor de corriente establecido en un comparador de una unidad de comparadores (3), y

cuando el valor de corriente medido supera el valor establecido, detener la entrega de señal de excitación.

Método según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado porque, en el modo de encendido, durante el suministro de la señal de excitación de frecuencia de fluctuación periódica, comprende:

medir un valor corriente entre el segundo condensador (C2) y la tierra, por medio de un segundo elemento de medición (A2),

comparar el valor corriente medido con un valor de corriente establecido en un comparador de una unidad de comparadores (3), y

cuando el valor de corriente medido supera el valor establecido, detener la entrega de señal de excitación.

Método según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque, en el modo de encendido, durante el suministro de la señal de excitación de frecuencia de fluctuación periódica, comprende:

medir un valor de corriente entre una segunda inductancia (L2) y la tierra, por medio de un tercer elemento de medición (A3),

comparar el valor corriente medido con un valor de corriente establecido en un comparador de una unidad de comparadores (3), y

18.

19.

2.

21.

22.

23.

24.

26.

27.

cuando el valor de corriente medido alcanza el valor establecido, detener la entrega de señal de excitación e iniciar la entrega de señal de excitación en el modo de alimentación de lámpara (3).

Método según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 16, caracterizado porque, en el modo de encendido de lámpara de descarga de alta Intensidad, se usa una frecuencia de señal de excitación de tensión alterna que se modula en ciclos y uniformemente, desde el valor más bajo (Fm¡.) hasta el valor más alto (Fmax.) y de nuevo desde el más alto hasta el más bajo.

Método según la reivindicación 17, caracterizado porque comprende regular una potencia suministrada a la lámpara (3) mediante cambios de frecuencia de la primera señal de control realizados cambiando la razón del periodo de tiempo en el que la frecuencia de la primera señal de control aumenta con respecto al periodo de tiempo en el que la frecuencia de la primera señal de control disminuye.

Método según reivindicación 17, caracterizado porque, siendo la lámpara de descarga de alta Intensidad (3) una lámpara de sodio, comprende regular la potencia suministrada a la lámpara (3) usando al menos una frecuencia de segunda señal de control y una profundidad de modulación que no supera el 15%, y variando la razón del periodo de tiempo en el que la frecuencia aumenta con respecto al periodo de tiempo en el que la frecuencia disminuye desde ,1 hasta 1.

Método según la reivindicación 19, caracterizado porque la frecuencia de la señal de excitación es de 5 kHz, la frecuencia de segunda señal de control es de 24 Hz y la profundidad de modulación es del 1%.

Método según la reivindicación 17, caracterizado porque, siendo la lámpara de descarga de alta Intensidad (3) una lámpara de halogenuros metálicos, comprende regular la potencia suministrada a la lámpara (3) usando al menos una frecuencia de segunda señal de control y una profundidad de modulación que no supera el 2%, y variando la razón del periodo de tiempo en el que la frecuencia aumenta con respecto al periodo de tiempo en el que la frecuencia disminuye desde ,1 hasta 1.

Método según la reivindicación 21, caracterizado porque la frecuencia de la señal de excitación es de 13 kHz, la frecuencia de segunda señal de control es de 24 Hz y la profundidad de modulación es del

1%.

Método según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 22, caracterizado porque comprende regular una potencia suministrada a la lámpara (3) cambiando el ciclo de trabajo de una segunda señal de control PWM usada para controlar la frecuencia de la primera señal de control.

Método según la reivindicación 23, caracterizado porque se realiza un control mediante microchip para cambiar el ciclo de trabajo de la segunda señal de control PWM usada para controlar la frecuencia de la primera señal de control.

Método según la reivindicación 16, caracterizado porque comprende:

detectar una disminución del arco de descarga basándose en el valor de corriente entre la segunda inductancia (L2) y la tierra, cuando dicho valor es menor que un valor de corriente establecido en un comparador en la unidad de comparadores (3) para el funcionamiento apropiado de la lámpara (3), y

reanudar el modo de encendido de la lámpara (3).

Método según la reivindicación 25, caracterizado porque, tras detectar una disminución del arco de descarga, comprende además las etapas de:

esperar un periodo de tiempo que es necesario para el enfriamiento de la lámpara (3);

intentar encender la lámpara (3);

detectar una falta de lámpara (3) o su daño, lo que hace su funcionamiento imposible, basándose en el valor de corriente entre una segunda inductancia (L2) y la tierra, cuando dicho valor de corriente difiere del valor establecido en el comparador en la unidad de comparadores (3) para el encendido apropiado de la lámpara (3), tras dicho intento de encendido realizado tras dicho periodo de tiempo necesario para el enfriamiento de la lámpara.

Método según la reivindicación 25, caracterizado porque, tras detectar una disminución del arco de descarga y reanudar el encendido de lámpara, comprende además:

disminuir el valor de potencia que se suministra a la lámpara (3) y,

- si el arco no disminuye, mantener dicho valor de potencia, y

- si el arco disminuye, reanudar el modo de encendido y reintentar el procedimiento de disminución de

potencia.