Un balasto (810) electrónico para hacer funcionar al menos una lámpara (880) de descarga de gas desde una fuente de potencia de CA que tiene un voltaje de línea sustancialmente sinusoidal a una frecuencia de línea dada,

que comprende:

un circuito (820) rectificador que tiene terminales de entrada de CA y terminales de salida de CC; pudiendo conectarse dichos terminales de entrada de CA a la fuente de potencia de CA, produciendo dicho circuito rectificador un voltaje de salida rectificado en sus dichos terminales de salida de CC cuando dichos terminales de entrada de CA se activan mediante dicha fuente de potencia de CA;

un circuito (830) rellenador de valles que tiene terminales de entrada y de salida; estando conectados dichos terminales de entrada de dicho circuito (830) rellenador de valles a dichos terminales de salida de CC de dicho circuito (820) rectificador; incluyendo dicho circuito rellenador de valles un dispositivo (916) de almacenamiento de energía;

un circuito (860) inversor que tiene terminales de entrada conectados a dichos terminales de salida de dicho circuito (830) rellenador de valles y que produce un voltaje de excitación de alta frecuencia para conducir una corriente de lámpara a través de dicha al menos una lámpara (880) de descarga de gas cuando dichos terminales de entrada de CA se activan mediante dicha fuente de potencia de CA;

y un circuito (882) de control de relleno de valles acoplado a dicho dispositivo (916) de almacenamiento de energía y que puede operarse para permitir que dicho dispositivo (916) de almacenamiento de energía tome corriente de carga desde dicho circuito (820) rectificador durante un tiempo superior a 90º de cada semiciclo de frecuencia de línea de 180º, por lo que la corriente tomada desde la fuente de potencia de CA tiene una distorsión armónica total por debajo del 33,3%.

caracterizado porque el dispositivo (916) de almacenamiento de energía puede cargarse directamente desde dichos terminales de salida de CC de dicho circuito (820) rectificador a través de una impedancia (920) y un primer dispositivo (924) conductor de manera controlable, llevado dicha impedancia (920) sólo corriente de carga para dicho dispositivo (916) de almacenamiento de energía

Balasto electrónico.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a balastos electrónicos para lámparas de descarga de gas, tales como lámparas fluorescentes.

Antecedentes de la invención

Los balastos electrónicos para lámparas fluorescentes pueden analizarse normalmente como comprendiendo una extremo frontal y una extremo posterior. El extremo frontal incluye normalmente un rectificador para cambiar voltaje de línea de corriente alterna (CA) en un voltaje de bus de corriente continua (CC) y un circuito de filtro para filtrar el voltaje de bus de CC. El circuito de filtro comprende normalmente un condensador de almacenamiento de energía. Los balastos electrónicos también usan a menudo un circuito de refuerzo para reforzar la magnitud del voltaje de bus de CC. Adicionalmente, se conoce un balasto electrónico que usa medios de corrección del factor de potencia pasivos para reducir la distorsión armónica total de la corriente de entrada de balasto. Estos medios incluyen circuitos de filtro de frecuencia de línea que tienen una alta impedancia a frecuencia de línea y aproximadamente los primeros 30 armónicos de la frecuencia de línea. La alta impedancia de los circuitos de filtro de frecuencia de línea tiene un efecto de reducción significativo en la distorsión armónica total de la corriente de entrada de balasto. Estos filtros están en contraposición a los filtros EMI que tienen una baja impedancia a frecuencia de línea y los armónicos relacionados y por tanto no tienen un efecto significativo sobre la distorsión armónica total de la corriente de entrada de balasto.

El extremo posterior del balasto incluye normalmente un inversor de conmutación para convertir el voltaje de bus de CC en un voltaje de CA de alta frecuencia, y un circuito de tanque resonante que tiene una impedancia relativamente alta para acoplar el voltaje de CA de alta frecuencia a los electrodos de la lámpara. El extremo posterior del balasto también incluye normalmente un circuito de realimentación que monitoriza la corriente de la lámpara y genera señales de control para controlar la conmutación del inversor para mantener una magnitud de corriente de lámpara deseada.

Para mantener una operación estable de la lámpara, los balastos electrónicos típicos de la técnica anterior filtran el voltaje de bus de CC para minimizar la cantidad de ondulación de voltaje de bus. Esto se consigue habitualmente proporcionando un condensador de bus que tiene una capacitancia relativamente grande y por tanto, una capacidad de almacenamiento de energía relativamente grande. Proporcionando un condensador de bus relativamente grande, se minimiza la cantidad de disminución a partir del voltaje pico rectificado de un semiciclo al siguiente semiciclo. Minimizar la cantidad de ondulación en el bus de CC también tiende a minimizar el factor de cresta de corriente (CCF) de la corriente de lámpara. El CCF de la corriente de lámpara se define como la razón de la magnitud de la corriente de lámpara pico a la magnitud del valor de la media cuadrática (RMS) de la corriente de lámpara.

Un indicador importante de la calidad de la corriente de lámpara para una lámpara de descarga de gas tal como una lámpara fluorescente es el factor de cresta de corriente (CCF) de la corriente de lámpara. Se prefiere un CCF bajo porque un CCF alto puede provocar un deterioro de los filamentos de la lámpara que posteriormente reducirían la vida útil de la lámpara. La Norma Industrial Japonesa (JIS) JIS C 8117-1992 recomienda un CCF de 2,1 o menor, y la Norma 921-1988-07 de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) recomienda un CCF de 1,7 o menor.

Sin embargo, el uso de un condensador de bus relativamente grande para minimizar la ondulación en el voltaje de bus de CC implica ciertas desventajas. Cuanto más grande es el condensador de bus, más caro es, y más área consume en una placa de circuito impreso, o similar, y más volumen usa dentro del balasto. Asimismo, el condensador de bus se descarga siempre que el nivel de voltaje de bus está por encima del valor absoluto instantáneo del voltaje de línea de CA, y por tanto el condensador de bus se recarga sólo durante un tiempo relativamente corto dentro de cada semiciclo de línea, alrededor del voltaje pico de valor absoluto del voltaje de línea de CA. Por tanto, los balastos típicos de la técnica anterior toman una cantidad relativamente grande de corriente durante el corto tiempo en el que el condensador de bus se está cargando, como se muestra en la figura 1. Esto da como resultado una forma de onda de corriente de entrada de balasto distorsionada que da lugar a armónicos y niveles de distorsión armónica total (THD) no deseados.

En un sistema de alimentación de CA, las conformaciones de onda de voltaje o corriente pueden expresarse como una fundamental y una serie de armónicos. Estos armónicos tienen cierta frecuencia múltiplo de la frecuencia fundamental de la corriente o voltaje de línea. Específicamente, la distorsión en la conformación de ondas de CA tiene componentes que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. De particular interés son los armónicos que son múltiplos del 3^er armónico. Estos armónicos se añaden numéricamente en el conductor neutro de un sistema de alimentación trifásico. Normalmente, la distorsión armónica total se calcula usando los primeros 30 armónicos de la frecuencia fundamental. Se prefiere que la distorsión armónica total (THD) de la corriente de entrada de balasto esté por debajo del 33,3% para evitar un sobrecalentamiento del hilo neutro en un sistema de alimentación trifásico. Además, muchos usuarios de sistemas de iluminación requieren que los balastos tengan una distorsión armónica total de la corriente de entrada de balasto inferior al 20%.

Un enfoque para reducir la distorsión armónica total de la corriente de entrada de balasto y mejorar el factor de potencia de balasto ha sido emplear circuitos de corrección de factor de potencia activa (APFC) ampliamente conocidos. Este enfoque tiene ciertos inconvenientes que incluyen complejidad de balasto añadida, más componentes, mayores costes, fiabilidad potencialmente menor y, posiblemente, consumo de potencia aumentado. Además, el balasto con APFC usa normalmente un condensador de bus relativamente grande con los inconvenientes que conlleva como se ha indicado anteriormente.

Otro enfoque para reducir la distorsión armónica total de la corriente de entrada de balasto ha sido emplear un circuito rellenador de valles entre un rectificador y un inversor. Una desventaja de los circuitos rellenadores de valles típicos de la técnica anterior es que pueden tener una mayor ondulación de bus, lo que da como resultado un factor de cresta de corriente de lámpara incluso mayor, que a su vez puede acortar la vida útil de la lámpara.

Los enfoques de la técnica anterior para proporcionar balastos electrónicos que tengan una THD y un factor de potencia mejorado se tratan en T.-F. Wu, Y.-J. Wu, C.-H. Chang y Z. R. Liu, Ripple-Free, Single-Stage Electronic Ballasts with Dither-Booster Power Factor Corrector, IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, págs. 2372-77, 1997; Y.-S. Youn, G. Chae, y G.-H. Cho, A Unity Power Factor Electronic Ballast for Fluorescent Lamp having Improved Valley Fill and Valley Boost Converter, IEEE PESC97 Record, págs. 53-59,1997; y G. Chae, Y.-S. Youn, y G.-H. Cho, High Power Factor Correction Circuit using Valley Charge-Pumping for Low Cost Electronic Ballasts, IEEE 0-7803-4489-8/98, págs. 2003-8,1998.

Las patentes de la técnica anterior representativas de intentos de proporcionar balastos electrónicos que tengan un factor de potencia y una distorsión armónica total mejorados incluyen la patente estadounidense 5,387,847, Passive Power Factor Ballast Circuit for the Gas Discharge Lamps, emitida el 7 de febrero de 1995 a nombre de Wood; U.S. La patente 5,399,944, Ballast Circuit for Driving Gas Discharge, emitida el 21 de marzo de 1995 a nombre de Konopka et al.; La patente estadounidense 5,517,086, Modified Valley Fill High Power Factor Correction Ballast, emitida el 14 de mayo de 1996 a nombre de E1-Hamamsy et al.; y la patente estadounidense 5,994,847, Electronic Ballast with Lamp Current Valley-fin Power Factor Correction, emitida el 30 de noviembre de 1999.

Otra referencia es Fluorescent Ballast Design Using Passive P.F.C. and Crest Factor Control a nombre de Peter M. Wood, 1998. Esta referencia muestra...

1. Un balasto (810) electrónico para hacer funcionar al menos una lámpara (880) de descarga de gas desde una fuente de potencia de CA que tiene un voltaje de línea sustancialmente sinusoidal a una frecuencia de línea dada, que comprende:

caracterizado porque el dispositivo (916) de almacenamiento de energía puede cargarse directamente desde dichos terminales de salida de CC de dicho circuito (820) rectificador a través de una impedancia (920) y un primer dispositivo (924) conductor de manera controlable, llevado dicha impedancia (920) sólo corriente de carga para dicho dispositivo (916) de almacenamiento de energía.

2. El balasto electrónico según la reivindicación 1, en el que dicho circuito (882) de control de relleno de valles incluye un inductor.

3. El balasto electrónico según la reivindicación 1, en el que dicho circuito (882) de control de relleno de valles incluye un inductor en derivación.

4. El balasto electrónico según la reivindicación 1, en el que dicho primer dispositivo (924) conductor de manera controlable es un MOSFET.

5. El balasto electrónico según la reivindicación 1, en el que dicho circuito (860) inversor incluye dicho primer dispositivo (924) conductor de manera controlable; por lo que dicho primer dispositivo (924) conductor de manera controlable tiene el doble propósito de funcionar como parte del circuito (830) rellenador de valles y como parte de dicho circuito (860) inversor.

6. El balasto electrónico según la reivindicación 1, en el que dicho circuito (860) inversor incluye dispositivos conductores de manera controlable segundo y tercero conectados en serie conectados a través de dichos terminales de entrada de dicho circuito (860) inversor, por lo que cada uno de los tres dispositivos conductores de manera controlable son dispositivos independientes.