principios de modulacin en frecuencia

S.E.P.
S.E.S.
D.G.E.S.T.
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN
Y DESARROLLO TECNOLÓGICO
cenidet
CARACTERIZACIÓN DE LÁMPARAS DE ALTA INTENSIDAD DE
DESCARGA ALIMENTADAS CON FORMAS DE ONDA CUADRADAS
T
E
S
I
S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO
EN
CIENCIAS
EN
INGENIERÍA
ELECTRÓNICA
P
R
E
S
E
N
T
A
:
ING. EUMIR DEIDIER ENRÍQUEZ DOURIET
DIRECTORES
DR.
MARIO
DE
PONCE
TESIS :
SILVA
DRA. MARÍA COTOROGEA PFEIFER
CUERNAVACA, MORELOS
JULIO
2005
Tabla de Contenido
Resumen de la tesis
v
Summary
ix
Introducción
xiii
CAPÍTULO 1: CONCEPTOS EN ILUMINACIÓN
1.1 Conceptos generales
1.1.1 Luminiscencia
1
2
2
1.1.1.1 Fotoluminiscencia
3
1.1.1.2 Electroluminiscencia
3
1.1.2 Flujo luminoso
3
1.1.3 Eficacia luminosa
4
1.1.4 Índice de rendimiento de color
4
1.1.5 Temperatura del color
4
1.1.6 Flujo radiante
5
1.1.7 Color de l luz
5
1.1.8 Diagrama de cromaticidad
5
CAPÍTULO 2: ELBORACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS
7
2.1 Propuesta del módulo
8
2.1.1 Inversor puente completo
10
2.1.2 Control
11
2.1.3 Ignitor
11
2.1.4 Resistencia estabilizadora
12
2.2 Aspectos importantes para el diseño del inversor
12
2.2.1 Elaboración del trazado de pistas
12
2.2.2 Circuitos de ayuda a la conmutación
15
i
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
2.3 Implementación del prototipo
16
2.3.1 Inversor puente completo
16
2.3.2 Generador de pulsos de disparo
17
2.3.3 Diseño magnético de las bobinas del ignitor
18
2.3.3.1 Simulación del ignitor
21
2.3.4 Elaboración del banco resistivo estabilizador
23
2.3.5 Diseño del medidor de resonancias acústicas
23
2.4 Funcionamiento del módulo
24
CAPÍTULO 3: CARACTERIZACIÓN ANTE VARIACIONES DE FRECUENCIA
3.1 Procedimiento de caracterización
26
3.2 Resultados de caracterización
26
3.2.1 Eficacia
27
3.2.2 Índice de rendimiento de color
30
3.2.3 Temperatura del color
32
3.2.4 Resistencia promedio de la lámpara
33
CAPÍTULO 4: CARACTERIZACIÓN CON CONTROL DE INTENSIDAD LUMINOSA
37
4.1 Procedimiento de caracterización
38
4.2 Resultados de caracterización
39
4.2.1 Resistencia promedio de la lámpara
39
4.2.2 Resistencia instantánea de la lámpara
44
4.2.3 Eficacia
46
4.2.4 Índice de rendimiento de color
50
4.2.5 Temperatura del color
54
CAPÍTULO 5: PRUEBAS EXPERIMENTALES DE ESTABILIDAD
61
5.1 Estabilidad en lámparas de descarga
62
5.2 Procedimiento de caracterización
66
5.3 Resultados de caracterización
68
5.3.1 Lámpara de vapor de sodio LUCALOX – LU70
ii
25
68
Tesis de maestría
Introducción
5.3.2 Lámpara de vapor de sodio CERAMALUX – C100S54
74
5.3.3 Lámpara de halogenuros metálicos CDM-TD 70W
80
5.3.4 Lámpara de halogenuros metálicos CDM-R 70W
86
5.3.5 Lámpara de vapor de mercurio H39KC 175W
92
CAPÍTULO 6: ANÁLISIS COMPARATIVO DE RESULTADOS DE CARACTERIZACIÓN
CON CIL
101
6.1 Comparación entre formas de onda cuadradas y sinusoidales
102
6.1.1 Lámpara de vapor de sodio LUCALOX – LU70 (70W)
102
6.1.2 Lámpara de vapor de sodio CERAMALUX – C100S54 (100W)
105
6.1.3 Lámpara de halogenuros metálicos CDM-TD (70W)
108
6-1.4 Lámpara de halogenuros metálicos CDM-R (70W)
111
6.1.5 Lámparas de vapor de mercurio H38JA (100W) y H39KC 175W (175)
114
CAPÍTULO 7: CONCLUSIONES Y TRABAJOS COMPLEMENTARIOS
7.1 Conclusiones
119
120
7.1.1 Caracterización de LAID con variación de frecuencia
120
7.1.2 Caracterización de LAID con control de intensidad luminosa
121
7.1.3 Pruebas de estabilidad aplicadas a LAID
122
7.1.4 Análisis comparativo de resultados de caracterización con CIL
122
7.2 Trabajos complementarios
123
7.3 Otros logros
124
7.4 Resumen
124
Referencias
125
Anexo 1: Lámparas de descarga
127
An.1 Lámparas de descarga
128
An.1.1 Lámparas de vapor de sodio de alta presión
128
An.1.2 Lámparas de vapor de mercurio de alta presión
130
An.1.3 Lámparas de halogenuros metálicos
131
An.2 Encendido de lámparas de alta intensidad de descarga
Eumir Deidier Enríquez Douriet
132
iii
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
An.3 Estabilización de lámparas de alta intensidad de descarga
134
An.4 Fenómeno de resonancias acústicas
134
An.5 Circuitos de encendido
137
An.5.1 Tanques resonantes
137
An.5.2 Multiplicadores de tensión
138
An.5.3 Transformadores
139
An.5.4 Inductancia (di/dt)
139
An.5.5 Ignitores
139
Anexo 2: Programa del PIC16F876
143
Apéndice 1: Diagramas eléctricos
153
Ap. 1.1 Diagrama del sistema de control con PIC16F876
154
Ap. 1.2 Diagrama del inversor puente completo
156
Ap. 1.3 Diagrama del circuito de medición de resonancias acústicas
158
Apéndice 2: Listado de figuras, tablas y simbología
iv
161
Ap. 2.1 Lista de figuras
161
Ap. 2.2 Lista de tablas
166
Ap. 2.3 Nomenclatura y simbología
168
Tesis de maestría
Resumen de la Tesis
El sector de la iluminación es uno de los más importantes a nivel mundial debido a que
se consume aproximadamente el 25 % de la energía eléctrica en este rubro y año con año
aumenta la demanda.
Debido a que el ahorro de energía es una de las necesidades primordiales en nuestros
días, la obtención de balastros electrónicos eficientes, ligeros, compactos, con alto factor de
potencia, bajos niveles de interferencia electromagnética y, sobre todo, con un bajo costo, es
el objetivo que marca la pauta en las líneas de investigación dedicadas al desarrollo de los
sistemas de iluminación.
Aún cuando el desarrollo de sistemas de iluminación basados en lámparas fluorescentes
representa una de las áreas de mayor explotación en los últimos años, existen otro tipo de
lámparas que se conocen con el nombre de lámparas de alta intensidad de descarga (LAID),
las cuales se han utilizado principalmente para aplicaciones industriales e iluminación de
exteriores. Actualmente estas lámparas se presentan como fuentes de luz atractivas debido a
su alta relación de potencia eléctrica por unidad de descarga (eficacia), lo que permite obtener
fuentes de luz con un alto flujo luminoso y un tamaño reducido.
La aplicación de nuevas tecnologías en la fabricación de las LAID ha permitido obtener
mejoras considerables en este tipo de lámparas, principalmente en la característica del
rendimiento de color. En la actualidad las LAID se emplean en muchas aplicaciones que
anteriormente estaban lejos de ser utilizadas, tales como: iluminación en centros comerciales,
aplicaciones automotrices e, incluso, aplicaciones domésticas.
Generalmente las LAID se operan con balastros electromagnéticos que presentan
desventajas tales como gran peso y volumen, parpadeo en la luz que genera la lámpara y una
baja eficiencia, es por esto que se requiere el diseño de balastros electrónicos que superen
estos inconvenientes. Sin embargo, el desarrollo de balastros electrónicos para LAID se ha
visto limitado por el fenómeno de resonancias acústicas, el cual se presenta al operar estas
lámparas en alta frecuencia (>20 kHz). En su forma más sencilla este problema se manifiesta
como un parpadeo en la luz generada por la lámpara debido a deformaciones del arco de
v
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
descarga y puede ser tan intenso que es posible causar daños físicos en el balastro o una
destrucción de la misma lámpara.
Existen diferentes alternativas para resolver el problema de resonancias acústicas en las
LAID. En el presente trabajo de tesis se aplicará el método de alimentación por medio de
formas de onda cuadradas. A pesar que este método ha sido probado anteriormente, no existe
documentación acerca de la presencia de este fenómeno ante variaciones en la frecuencia de
operación, control de intensidad luminosa o evaluación experimental de la estabilidad.
La alimentación con formas de onda cuadradas, además de contribuir a evitar el
fenómeno de resonancias acústicas, es posible que también tenga efectos sobre las
características eléctricas y fotométricas de las lámparas. Estos datos son de sumo interés para
los diseñadores de balastros electrónicos y no están presentes en ninguna investigación
previa.
Este trabajo de investigación reporta la caracterización de lámparas de halogenuros
metálicos, vapor de sodio de alta presión y vapor de mercurio de alta presión de diferentes
fabricantes y potencias alimentadas con formas de onda cuadradas. El procedimiento de
caracterización incluye la variación de la frecuencia de operación y de la intensidad luminosa.
Se evalúan parámetros importantes de las lámparas como la eficacia, el índice de rendimiento
de color y la temperatura del color. Además, se realiza una evaluación experimental de la
estabilidad de las lámparas variando la impedancia estabilizadora del balastro, obteniendo de
las pruebas realizadas la impedancia normalizada de la lámpara, el factor de potencia de la
lámpara y el factor de cresta de corriente.
Es por esto que el presente documento se organiza de la siguiente manera:
En el primer capítulo se presentan los conceptos básicos empleados en el campo de la
iluminación.
En el segundo capítulo se presenta la propuesta del módulo empleado para la
caracterización de LAID, la implementación del balastro electrónico mediante el diseño de
cada uno de los elementos que lo integran, así como el medidor de resonancias acústicas. Se
explica también el funcionamiento del banco de pruebas.
En el tercer capítulo se presentan los resultados de la caracterización de LAID
alimentadas con formas de onda cuadradas ante variaciones en la frecuencia de operación. Se
realizan comparaciones entre la alimentación con formas de onda cuadradas y formas de
onda producidas por un balastro electromagnético a 60 Hz. Los parámetros a comparar son
vi
Tesis de maestría
Resumen de la Tesis
eficacia, índice de rendimiento de color y temperatura del color. Además, se evalúa la
variación de la resistencia de lámpara ante cambios en la frecuencia.
En el cuarto capítulo se presentan los resultados de la caracterización con control de
intensidad luminosa aplicada a LAID, obteniéndose las gráficas de resistencia de lámpara,
eficacia, índice de rendimiento de color y temperatura del color.
En el quinto capítulo se presentan los resultados de las pruebas de estabilidad aplicadas
a las LAID alimentadas con formas de onda cuadradas. Estas pruebas fueron realizadas
variando la intensidad luminosa, la resistencia estabilizadora y la frecuencia de operación.
Como resultado se muestran las gráficas obtenidas de impedancia normalizada, factor de
potencia de la lámpara y factor de cresta de corriente.
En el sexto capítulo se presenta una comparación de los resultados obtenidos al aplicar
un control de intensidad luminosa a lámparas de alta intensidad de descarga alimentadas con
formas de onda cuadradas y formas de onda sinusoidales.
Por último, en el séptimo capítulo se presentan las conclusiones de la caracterización de
lámparas de alta intensidad de descarga alimentadas con formas de onda cuadradas y con
variaciones en su frecuencia de operación, intensidad luminosa y pruebas de estabilidad.
En el primer anexo se incluye el panorama actual de las lámparas de alta intensidad de
descarga, su clasificación y se explican algunas de las características de operación de las LAID.
En el segundo anexo se presenta el programa del microcontrolador que se empleó para
controlar el banco de pruebas.
Finalmente se anexan dos apéndices, el primero contiene los diagramas eléctricos de los
circuitos utilizados para las pruebas y el segundo muestra un listado de las figuras, tablas y la
simbología que aparecen en este documento.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
vii
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
viii
CENIDET
Tesis de maestría
Summary
The illumination sector is one of the most important since approximately 25% of the
electric power is wasted in this item and year with year the demand is increasing.
Since energy saving is one of the primordial necessities in our days, the objective of
many investigation efforts dedicated to the development of illumination systems is to obtain
efficient, slight and compact electronic ballasts, with high power factor, low levels of
electromagnetic interference and, mainly, with low cost.
Although the development of illumination systems based on fluorescent lamps
represents one of the areas of more exploitation in the last years, it exists another type of
lamp, known as high intensity discharge lamp (HID), which has been used mainly for
industrial applications and external illumination. At the moment, these lamps become quite
attractive light sources due to their high relationship of electric power for discharge unit
(efficacy). This allows to obtain light sources with high luminous flow and reduced size.
The application of new technologies in the production of the HID lamps has allowed
obtaining considerable improvements in this type of lamps, mainly in the characteristic of the
color rendering index. Currently, HID lamps are used in many applications that previously
were far from being used, such as: illumination in commercial centers, automotive
applications and even domestic applications.
Most HID lamps are operated with electromagnetic ballasts that present disadvantages
such as great weight and volume, flicker in the light that generates the lamp and low
efficiency. Although the design of electronic ballasts overcome these inconveniences, their
development for HID lamps has been limited by the phenomenon of acoustic resonances,
which occurs when operating these lamps in high frequency (>20 kHz). In its simpler form,
this problem is manifested as a flicker in the light generated by the lamp due to deformations
of the discharge arch and can become so intense that it eventually cause physical damages in
the ballast or the destruction of the lamp itself.
Different alternatives exist to solve the problem of acoustic resonances in the HID
lamps. One solution presented in different works is to feed the lamp by means of square
waveforms. Although this method has been proven previously, there is no documentation
ix
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
concerning the presence of this phenomenon when operation frequency varies, dimming is
applied or in lamp stability analysis.
Feeding with square waveforms, besides contributing to avoid the phenomenon of
acoustic resonances, possibly effects also the electric and photometrical characteristics of the
lamp. This issue is of extreme interest for the designers of electronic ballast and has not been
accounted for in any previous investigation.
This work reports the characterization of metal-halide, high-pressure sodium-vapor
(HPS) and high-pressure mercury-vapor (HPM) lamps of different manufacturers and power
levels fed with square waveforms. The characterization procedure includes the variation of
operation frequency and lamp power (dimming). Important lamp parameters, such as the
efficacy, the color rendering index and the correlated color temperature where evaluated.
Additionally, a lamp stability analysis has been performed varying the stabilizing impedance
of the ballast and evaluating the normalized lamp impedance, the lamp power factor and the
current crest factor.
The present document is organized as follows:
In the first chapter are presented the basic concepts employed in the field of
illumination systems.
In the second chapter is desribed the proposal of the test circuit used for the
characterization of HID lamps, the implementation of the electronic ballast by means of the
design of each one of the elements that composes it, as well as the acoustic resonance meter.
The operation of the tests bench is also explained.
The third chapter presents the results of the HID lamp characterization when fed with
square waveforms varying the operation frequency. Comparisons are carried out between
feeding with square waveforms and waveforms produced by electromagnetic ballast at 60 Hz.
The parameters to compare are the efficacy, the color rendering index and the correlated color
temperature. Also, the change of the lamp resistance when varying in the operation frequency
is evaluated.
The fourth chapter presents the characterization results when dimming is applied to the
HID lamps. The graphs obtained include the lamp resistance, the efficacy, the color rendering
index and the correlated color temperature as a function of lamp power.
The fifth chapter presents the results of the stability test applied to the HID lamps fed
with square waveforms. These tests were carried out varying the luminous intensity, the
x
Tesis de maestría
Summary
stabilizing resistance and the operation frequency. The graphs obtained include the
normalized lamp impedance, the lamp power factor and the current crest factor.
The sixth chapter presents a comparison of the results obtained in this work when
applying dimming to HID lamps fed with square waveforms and the results obtained in []
when feeding with sine waveforms.
In the seventh chapter are presented the conclusions of the characterization of HID
lamps fed with square waveforms and suggestions for further work in this subject.
In the first appendix is included the current panorama of the high intensity discharge
lamps, their classification and the explanation of some of the their operation characteristics.
In the second appendix is included the program of the microcontroller that was used to
control the tests bench.
Two more appendices are attached: the first one contains the electric diagrams of the
circuits used for the tests and the second one shows a list of the figures, charts and
abbreviations that appear in this document.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
xi
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
xii
CENIDET
Tesis de maestría
Introducción
Antecedentes
En la actualidad, el 25% de la energía eléctrica generada en el mundo es consumida en
iluminación. Los elementos que realizan la transformación de potencia eléctrica a potencia
luminosa son las lámparas. Las lámparas pueden clasificarse en incandescentes y de descarga.
Las lámparas de descarga se subdividen en lámparas de baja presión (< 1 Pa) y alta presión (≈
1.5 X 104 Pa).
Las lámparas de alta intensidad de descarga (LAID) solamente se han utilizado en
aplicaciones industriales y para la iluminación de exteriores. Sin embargo, actualmente las
LAID ofrecen una opción muy atractiva en fuentes de luz debido a las mejoras obtenidas por
el avance de la tecnología, principalmente en las características del rendimiento de color y
eficacia (Figura Intro.1).
Figura Intro.1: Progreso de la eficacia luminosa de varios tipos de lámparas.
xiii
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
La utilización de este tipo de lámparas se ha extendido a muchas aplicaciones como
iluminación en centros comerciales, aplicaciones automotrices e incluso aplicaciones
domésticas [1].
Las LAID pueden contener diversos gases, los cuales al recibir una descarga eléctrica
producen determinada energía electromagnética dentro del rango de la luz visible. Las
lámparas de alta presión más importantes en la actualidad son las que contienen gases de
vapor de sodio, vapor de mercurio y halogenuros metálicos.
Las lámparas de alta intensidad de descarga son muy compactas, presentan un buen
índice de rendimiento de color y una alta eficacia cuando se operan con balastros electrónicos
a altas frecuencias, comercialmente hay muy pocos balastros disponibles de este tipo.
Las ventajas de emplear altas frecuencias en los balastros electrónicos son que el flujo
luminoso de salida de las LAID se mejora y la vida útil es mas larga, debido a que se eliminan
los picos de tensión por reencendido a la frecuencia de línea.
Problemática
Actualmente, las LAID se operan principalmente con balastros electromagnéticos que
presentan desventajas tales como gran peso y volumen, parpadeo en la luz que genera la
lámpara y una baja eficiencia.
El mayor obstáculo que se presenta en la aplicación de los balastros electrónicos en las
LAID es el comportamiento intrínseco de éstas en altas frecuencias. El problema es muy
delicado y se conoce con el nombre de “resonancias acústicas” [2].
El fenómeno de resonancias acústicas consiste en contorsiones del arco de descarga que
producen parpadeo en la luz producida por la lámpara y en casos extremos la destrucción de
la misma. Estas resonancias se producen cuando la frecuencia de excitación coincide con la
frecuencia resonante del gas de relleno de la lámpara.
Además, no existe documentación alguna de la presentencia de resonancias acústicas en
LAID al aplicarles un control de intensidad luminosa (CIL) o pruebas experimentales de
estabilidad.
xiv
Tesis de maestría
Introducción
Hipótesis
Al aplicar formas de onda sinusoidales, la forma de onda de la potencia instantánea en
la lámpara es variable y esta modulada a la frecuencia de las señales de tensión y corriente
como se muestra en la Figura Intro.2.
El caso de alimentación con formas de onda cuadradas se muestra en la Figura
Intro.3 donde se observa que la potencia entregada a la lámpara es constante. Puesto que la
potencia no sufre ninguna modulación, el circuito es inmune al fenómeno de resonancias
acústicas, no importando la frecuencia a la cual esté operando el circuito.
Figura Intro.2: Formas de onda de voltaje y corriente sinusoidales aplicadas a
una lámpara de descarga y la potencia instantánea consumida por la lámpara.
Figura Intro.3: Formas de onda cuadradas de voltaje y corriente aplicadas a una
lámpara de descarga y la potencia instantánea consumida por la lámpara.
Recientemente se han desarrollado balastros electrónicos que aplican formas de onda
cuadradas de corriente y de tensión a las LAID. Estos dispositivos operan a frecuencias
comprendidas en el rango de kHz, sin embargo la eficacia luminosa de las lámparas de vapor
Eumir Deidier Enríquez Douriet
xv
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
de sodio de baja presión operadas con formas de onda cuadradas a 50 Hz es muy similar a la
obtenida a 400 kHz [3].
La alimentación de LAID con formas de onda cuadradas, además de evitar la presencia
de resonancias acústicas ante variaciones en la potencia nominal de la lámpara y ante pruebas
experimentales de estabilidad, podría significar una mejoría en las características eléctricas y
fotométricas de la lámpara en comparación con la alimentación con formas de onda
sinusoidales o las aplicadas por un balastro electromagnético.
Objetivos
El presente trabajo de investigación tiene como objetivo caracterizar cinco diferentes
lámparas de alta intensidad de descarga alimentadas con formas de onda cuadradas variando
la frecuencia de operación, aplicando un control de intensidad luminosa y realizando pruebas
experimentales de estabilidad para comprobar que este método elimina la presencia de
resonancias acústicas.
Además, la caracterización realizada aporta la documentación del comportamiento
eléctrico (resistencia promedio de lámpara) y fotométrico (flujo luminoso, índice de
rendimiento de color, temperatura del color) de las LAID ante variaciones en la frecuencia de
operación y al aplicarle un control de intensidad luminosa. Tiene una importancia especial
aplicar pruebas de estabilidad en estas lámparas debido a que no se realizado con
anterioridad y es sumamente necesario para el diseño de balastros electrónicos que alimenten
con formas de onda cuadradas.
Aportación
La principal aportación de este trabajo de tesis es comprobar la eliminación de
resonancias acústicas en LAID por medio de la alimentación con formas de onda cuadradas,
así como también, determinar si existe un beneficio con este tipo de alimentación desde el
punto de vista eléctrico y fotométrico, comparado con las formas de onda sinusoidales y las
aplicadas por un balastro electromagnético.
xvi
Tesis de maestría
Capítulo 1
Conceptos en Iluminación
En este capítulo se presentan los conceptos básicos empleados en el campo de la iluminación.
1
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
1.1 Conceptos generales
Desde tiempos antiguos el hombre ha intentado desarrollar fuentes de luz, ya que la luz
existente en forma natural no se le puede controlar. Una iluminación adecuada en el hogar,
centros laborales, centros educativos y espacios de entretenimiento es de gran importancia
para el desarrollo de las actividades cotidianas; es por esto que muchos investigadores
trabajan en el desarrollo de sistemas de iluminación que mejoren el ambiente visual en el que
se desempeñan cada una de estas actividades.
De acuerdo con la sociedad de ingenieros en iluminación (IES), la luz se define como “la
energía radiante que es capaz de excitar la retina del ojo humano y crear una sensación visual”
[4]. Desde el punto de vista de la física, la luz se considera como la porción del espectro
electromagnético comprendido entre los límites de longitud de onda de 380 a 770 nm, éste
recibe el nombre de espectro visible y dentro del cual está comprendido el conjunto de colores
que puede ser observado por el ojo humano. La energía radiante de una longitud de onda
apropiada hace visible todo aquello desde donde es emitida o reflejada en suficiente cantidad
para activar los receptores en el ojo humano.
En esencia, la emisión de luz se debe a las transiciones de electrones de un nivel de
energía mayor a uno menor. A través del tiempo el hombre ha desarrollado diferentes formas
para generar energía luminosa, las cuales se han clasificado en dos grandes grupos
dependiendo de la forma en que los electrones son excitados para lograr estas transiciones
entre estados de energía: la incandescencia y la luminiscencia. La forma de producción de luz
que se considera en este trabajo es la luminiscencia, debido a que es la empleada por las
lámparas de descarga.
1.1.1 Luminiscencia
En este proceso la radiación luminosa emitida se genera por efecto de un agente exterior
que excita los átomos del cuerpo químico. La excitación de los átomos se presenta solamente
en ciertos niveles de energía y la luz se emite en un número limitado de longitudes de onda, lo
que origina un espectro discontinuo [5].
Las radiaciones luminiscentes dependen, esencialmente, de la estructura atómica de los
materiales y consiste en una radiación electromagnética visible, cuya intensidad en
determinadas longitudes de onda (determinada por las características del material) es mucho
mayor que la radiación térmica del mismo cuerpo a la misma temperatura. Dicho de otra
2
Tesis de maestría
Capítulo 1. Conceptos en Iluminación
forma, la radiación visible es mayor que la radiación emitida por el método de
termorradiación.
Existen diferentes mecanismos que permiten generar el fenómeno de luminiscencia.
Dependiendo del agente de excitación, la luminiscencia se clasifica en fotoluminiscencia y
electroluminiscencia.
1.1.1.1 Fotoluminiscencia
En este proceso la energía radiante se puede generar por medio de la descarga en un
medio gaseoso y se produce por la acción de otras radiaciones de distinta longitud de onda. A
su vez la fotoluminiscencia puede ser:
Fluorescencia: Es una fotoluminiscencia simultánea ya que el tiempo transcurrido
entre la excitación y la emisión es inferior a 10 ns. Se presenta en la conversión de radiación
ultravioleta en luz visible, como es en el caso de las lámparas fluorescentes.
Fosforescencia: Es una fotoluminiscencia retardada en la que existe una emisión de luz
durante cierto tiempo después de que ha cesado la excitación.
1.1.1.2 Electroluminiscencia
Se produce por la acción de un campo eléctrico en el seno de un gas o material sólido.
Cuando la descarga es a través de un gas, se aplica un potencial eléctrico que ioniza al gas y
permite el paso de corriente eléctrica a través de él. Los electrones que forman el "arco de
descarga" se aceleran a enormes velocidades y al entrar en colisión con los átomos del gas o
vapor, alteran momentáneamente la estructura atómica de éste, produciéndose la luz por
efecto de la energía desprendida cuando los átomos alterados vuelven a su estado normal.
La luz que se genera por medio de los métodos descritos anteriormente presenta
características distintas ya que la forma en que se realiza esta excitación determina la
distribución espectral emitida y, por consiguiente, la luz que se genera. Los siguientes
conceptos ayudan a comprender las características de la luz generada por la incandescencia y
la luminiscencia.
1.1.2 Flujo luminoso
El flujo luminoso describe la potencia luminosa total emitida por una fuente de luz. Se
calcula de la potencia de la radiación espectral, mediante la valoración con la sensibilidad
luminosa espectral del ojo.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
3
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Se define el flujo luminoso como la potencia (W) emitida en forma de radiación
luminosa a la que el ojo humano es sensible. Su símbolo es
y su unidad es el lumen (lm). A
la relación entre watts y lúmenes se le llama equivalente luminoso de la energía; éste equivale
a: 1 watt-luz a 555 nm = 683 lm.
El flujo luminoso nos da una idea de la cantidad de luz que emite una fuente de luz en
todas las direcciones del espacio.
1.1.3 Eficacia luminosa
Las lámparas tienen capacidades para convertir la electricidad en luz visible. La eficacia
luminosa de una fuente de luz se define como el cociente entre el flujo luminoso total emitido
por la fuente con respecto a la potencia total de entrada. Se expresa en lúmenes por watt
(lm/W). Este índice indica la eficiencia de una fuente para generar energía luminosa a partir
de la energía eléctrica que consume.
1.1.4 Índice de rendimiento de color
El índice de rendimiento de color (IRC) se define como la capacidad que tiene una
fuente de luz para reproducir correctamente los colores de los cuerpos iluminados. Este índice
indica la capacidad de la fuente de luz para reproducir unas muestras de colores normalizados
en comparación con la reproducción proporcionada por una luz patrón de referencia.
Convencionalmente el IRC varía entre 0 y 100, debe entenderse como un promedio de las
reproducciones de todos los colores muestra y no solamente de alguno de ellos. Las lámparas
incandescentes tienen un IRC de 100, las lámparas fluorescentes tienen un IRC entre 50
(normal) y 95 (con trifósforos). Las lámparas de vapor de sodio tienen un IRC de 40.
1.1.5 Temperatura del color
La temperatura del color de una fuente de luz se determina por comparación contra una
fuente patrón, que generalmente es una esfera negra que se calienta hasta la incandescencia.
A medida que el cuerpo se va calentando la superficie adquiere distintas tonalidades que
corresponden a la temperatura a la que se encuentra el cuerpo negro. Cabe señalar que este
concepto sólo se aplica a fuentes de luz que basan su funcionamiento en la termorradiación.
Para las fuentes de luz que no son radiadores completos, como es el caso de las
lámparas de descarga, se emplea el concepto de temperatura de color similar o
correlacionada, que se define como la temperatura a la que el cuerpo negro presenta una
apariencia de color similar a la de la fuente de luz ensayada. La apariencia de color cálida se
4
Tesis de maestría
Capítulo 1. Conceptos en Iluminación
presenta para una temperatura de color menor a los 3300 grados Kelvin; la intermedia está
comprendida entre 3300 a 5000 grados Kelvin y la fría (luz de día) para una temperatura de
color mayor a los 5000 grados Kelvin.
1.1.6 Flujo radiante
A la energía por unidad de tiempo que es emitida desde una fuente sobre la longitud de
onda óptica se le conoce como flujo radiante. El flujo radiante de 1 watt equivale a una fuente
que produce 1 joule cada segundo.
1.1.7 Color de la luz
El sistema visual humano responde solamente a una pequeña parte del espectro
electromagnético, siendo entre 380 y 760 nanómetros. Sin embargo, esta respuesta no es
uniforme, para una misma cantidad de energía en cada longitud de onda.
El sistema visual percibe la región verde-amarilla en una forma más brillante, mientras
que las regiones rojas y azules las percibe más opacas. Esta es la razón por la cual una fuente
luminosa con mayor cantidad de energía en la región verde-amarilla es visualmente más
eficiente, es decir, con mayores lúmenes por watt.
Sin embargo, sin una cantidad razonable de energía en las regiones rojas y azules, una
fuente luminosa no será capaz de reproducir los colores correspondientes de los objetos
satisfactoriamente.
1.1.8 Diagrama de cromaticidad
La Comisión Internacional de Iluminación (C.I.E) desarrolló un diagrama basado en la
idea de que cualquier color de luz puede formarse con la mezcla de los colores primarios de
luz (rojo, verde y azul). Lo anterior es representado en una gráfica similar a un “triángulo”, en
el cual los colores del espectro están ubicados en los extremos (desde el rojo hasta el azul), en
el centro los colores se esfuman hasta formar la luz blanca. Con las coordenadas X, Y se
localiza el color de la luz dentro del triángulo.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
5
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Conclusiones
En este capítulo se definieron los conceptos más importantes de las características de
operación de las LAID.
En el siguiente capítulo se detallará el proceso de diseño y elaboración del banco de
pruebas para caracterización de lámparas de alta intensidad de descarga.
6
Tesis de maestría
Capítulo 2
Elaboración del banco de pruebas
En el presente capítulo se presenta la propuesta del módulo empleado para la caracterización de
lámparas de alta intensidad de descarga, la implementación del balastro electrónico mediante el diseño de
cada uno de los elementos que lo conforman, así como el medidor de resonancias acústicas. Finalmente, se
explica el funcionamiento del banco de pruebas.
7
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
2.1 Propuesta del módulo
El objetivo del presente trabajo de tesis es la caracterización de cinco diferentes
lámparas de alta intensidad de descarga alimentadas con formas de onda cuadradas. Para
esto, es necesaria la elaboración de un módulo donde se coloquen las lámparas bajo prueba.
Las LAID a caracterizar son de diversas potencias y de diferentes gases de relleno, por lo
que tienen distintas tensiones de encendido y puntos de operación eléctricos. El banco de
pruebas debe encender y operar cualquier tipo de LAID, es por eso que se consultaron las
hojas de datos de estas y se determinó que la tensión mínima que se requería para encender
las lámparas es de 3.5 kV (esta tensión de encendido fue la más alta encontrada en las hojas
de datos). Por lo tanto, el ignitor debe proporcionar esta tensión y con ello asegurar el
encendido de todas las lámparas a caracterizar.
Para cubrir el objetivo de la alimentación con formas de onda cuadradas se propone
emplear un tipo de inversor construido con dispositivos semiconductores que soporten la
tensión y corriente de alimentación de las lámparas, tanto en el encendido como en operación
estable.
Debido a que la caracterización de lámparas requiere variaciones en la frecuencia de
operación y en la potencia de lámpara, el módulo de pruebas debe contener un control
variable de la frecuencia de operación del inversor y además de su tensión de alimentación.
Uno de los puntos más importantes que se cubren con esta caracterización son las
pruebas experimentales de estabilidad. En la presente investigación la estabilidad de una
lámpara se lleva a cabo mediante la inserción de una resistencia en serie con la misma, la cual
debe ser lo suficientemente grande para igualar la resistencia promedio de la lámpara bajo
prueba. Esta resistencia estabilizadora debe tener la capacidad de variar y soportar la
corriente de lámpara.
El banco de pruebas debe tener ciertas características funcionales que permitan la
medición de las variables más importantes en las lámparas al aplicarles pruebas de
estabilidad, cambios en la frecuencia de operación y variaciones en el control de intensidad
luminosa. A continuación se presenta el diagrama esquemático del sistema de medición.
8
Tesis de maestría
Capítulo 2. Elaboración del banco de pruebas
Figura 2.1: Diagrama esquemático del sistema de medición.
El sistema de medición consiste en una fuente de cd alimentando a un balastro
electrónico que tiene como función encender una lámpara de alta intensidad de descarga y
operarla en estado estable con formas de onda cuadradas. La lámpara se debe encontrar en el
interior de una esfera de Ulbricht para la medición de sus características fotométricas,
además, se estará midiendo en forma constante las características eléctricas de la misma.
Una esfera de Ulbricht o esfera integradora es un dispositivo simple para medir la
radiación óptica. La función de una esfera integradora es integrar espacialmente el flujo
radiante de un objeto luminoso. La esfera LMS-760 empleada tiene un sensor conectado a un
analizador de espectro (DAS2100) y este a su vez se conecta a una computadora. Mediante un
software se comanda la toma de muestras del espectrómetro y en la pantalla de la
computadora se despliegan los resultados de las variables fotométricas medidas al objeto
luminoso que se encuentra en el interior de la esfera, tales como: flujo radiante, flujo
luminoso, índice de rendimiento de color y temperatura del color correlacionada. A partir del
flujo luminoso medido obtenemos una de las características principales de las lámparas que
es la eficacia luminosa (definida en el capítulo 1). Para calcular le eficacia se divide el flujo
luminoso, medido con la esfera de Ulbricht, entre la potencia de la lámpara bajo prueba.
Como se muestra en la Figura 2.1, el balastro se encontrará fuera de la esfera de
Ulbricht por lo que deberá ser lo suficientemente confiable para operar una lámpara a 5 m. de
distancia. Por otra parte, el balastro también debe contener una resistencia de estabilización
variable para las pruebas de estabilidad, proporcionar variación en frecuencia y capacidad de
realizar control de intensidad luminosa.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
9
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
El balastro propuesto para el banco de pruebas está basado en un inversor puente
completo, controlado por medio de un microcontrolador, y un ignitor serie para proporcionar
la tensión necesaria de encendido en la lámpara (Figura 2.2).
Figura 2.2: Diagrama a bloques (a) y esquemático (b) del balastro electrónico.
2.1.1 Inversor puente completo
En aplicaciones de conversión de potencia un “inversor” es un dispositivo que convierte
la corriente directa en una corriente alterna. Los inversores producen corriente de ca
mediante la conmutación de la polaridad de una fuente de cd aplicada a una carga.
Para el encendido de las LAID se requiere de una gran cantidad de tensión entre sus
terminales, por lo que es necesario que el inversor propuesto aplique la mayor cantidad de
tensión al circuito elevador que se encargará de encender la lámpara bajo prueba. Cada tipo
10
Tesis de maestría
Capítulo 2. Elaboración del banco de pruebas
de inversor aplica una determinada cantidad de tensión a la carga basado en la señal
fundamental que controla. Dentro de la gama de inversores se ha de seleccionar aquel que
aplica la mayor magnitud de tensión de la fundamental a la carga para facilitar el encendido
de las lámparas.
El balastro empleado para operar las LAID estará basado en el convertidor cd/ca puente
completo debido a que en esta configuración la magnitud de tensión de la fundamental
aplicada a la carga es de 4Vcd
π . Además, no requiere condensadores de filtrado ni
transformador y brinda una señal cuadrada y simétrica de tensión y corriente.
2.1.2 Control
Para la realización de la caracterización de LAID, el inversor puente completo debe
tener la capacidad de variar su frecuencia de operación, es por esto que el control de las
conmutaciones del inversor puente completo debe ser variable en frecuencia.
Las frecuencias que se requieren para la caracterización están comprendidas en el rango
entre 60 Hz y 125 kHz. Por lo tanto es necesario emplear un dispositivo programable que
trabaje con frecuencias del rango de los MHz para poder implementar en él un divisor de
frecuencias.
Se ha elegido el microcontrolador PIC16F876 debido a que contiene un gran número de
entradas/salidas, tiene una frecuencia de operación de 20 MHz y el número de instrucciones
de programación es reducido.
2.1.3 Ignitor
Es importante seleccionar un circuito que asegure el encendido de las diversas
lámparas a caracterizar, ya que estas tienen diferentes tensiones de ruptura dependiendo del
gas que contienen.
El ignitor opera con formas de onda sinusoidales en el punto de resonancia y debe ser
desconectado después del encendido de la lámpara para seguir alimentando la misma con
formas de onda cuadradas en estado estable.
Se ha seleccionado implementar el ignitor resonante serie (Figura 2.3) debido a que
presenta mejores características que el ignitor resonante paralelo [6], entre las que se
encuentra una menor tensión para provocar la descarga en el gas de la lámpara.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
11
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 2.3: Ignitor resonante serie.
2.1.4 Resistencia estabilizadora
Conforme los métodos de estabilización de LAID se escogió colocar una impedancia en
serie con la lámpara, mayor a la impedancia de la misma, para que ésta permaneciera estable.
Se propone la implementación de un banco resistivo para la estabilización de las LAID,
puesto que los resultados que se buscan están relacionados con las características
fotométricas de la lámpara y no de la eficiencia del balastro.
El banco resistivo deberá ser variable para realizar las pruebas experimentales de
estabilidad propuestas. Por medio de interruptores se pretende incrementar o reducir la
resistencia según convenga. Se mantendrá un mínimo de 15 Ω debido a que la impedancia de
las diversas lámparas es por lo menos 2 veces mayor a este valor.
Además, la resistencia estabilizadora deberá ser capaz de conducir una corriente
máxima de 2.5 A debido a que es la mayor cantidad de corriente de alimentación de las
lámparas a caracterizar.
2.2 Aspectos importantes para el diseño del inversor
La implementación de un inversor puente completo es muy sencilla, sin embargo, su
diseño debe considerar ciertas características que dependen de las condiciones bajo las cuales
opera.
El encendido de las lámparas, por ejemplo, genera una gran cantidad de ruido que se
propaga e incrementa a través de todos los circuitos y fuentes de alimentación del balastro,
por lo que es importante encontrar la forma de minimizar su efecto sobre los componentes del
inversor.
2.2.1 Elaboración del trazado de pistas
Independientemente de la fuente de ruido, es necesario tomar en cuenta las siguientes
recomendaciones de diseño para proteger tanto los interruptores como los impulsores [7]:
12
Tesis de maestría
Capítulo 2. Elaboración del banco de pruebas
A. Minimizar los parásitos
ƒ
Usar pistas gruesas y directas entre interruptores, sin generar lazos o
derivaciones.
ƒ
Evitar interconectar puntos de conexión, ya que puede incrementar de forma
significativa la inductancia parásita.
ƒ
Considerar la colocación de los interruptores, tratando de que se encuentren lo
más cerca posible entre ellos.
ƒ
Evitar los lazos de tierra mediante la conexión en un solo punto de la tierra física
con la tierra lógica.
B. Reducir la exposición a ruido de los impulsores de la familia IRF
ƒ
Conectar las terminales Vs y COM como se muestra en la Figura 2.4.
ƒ
Minimizar parásitos en la compuerta del impulsor mediante el uso de pistas
cortas, gruesas y directas al interruptor de potencia.
ƒ
Colocar el impulsor lo más cerca posible a los interruptores de potencia.
C. Mejorar el desacoplo local
ƒ
Mejorar el condensador de “bootstrap” (Cb), presente en el circuito impulsor
(formado por el circuito integrado IR2110), empleando un condensador con una
baja resistencia equivalente serie. Esto reducirá la sobrecarga del condensador
producto de un sobretiro negativo en la terminal Vs.
ƒ
Usar un segundo condensador con baja resistencia equivalente serie entre las
terminales Vcc y COM. Este condensador soporta tanto la salida del lado bajo del
impulsor como la recarga del condensador de “bootstrap”. Se recomienda que el
valor de éste sea 10 veces mayor a Cb.
ƒ
Conectar directamente a los pines apropiados los condensadores de desacoplo.
ƒ
Si es necesaria una resistencia en serie con el diodo de “bootstrap”, verificar que
la tensión en la terminal VB no se encuentre por debajo de la tensión en la
terminal COM, especialmente durante el encendido y en los extremos del ciclo
de trabajo.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
13
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 2.4: Reducción de parásitos.
Uno de los métodos más eficaces para ofrecer inmunidad a los sobretiros negativos
presentes en la terminal Vs del impulsor, es insertar una resistencia entre COM y la terminal
aterrizada del interruptor situado en la parte inferior de la rama (R3 en Figura 2.5).
Figura 2.5: Método de inmunidad a sobretiros negativos de Vs.
Este método garantiza flexibilidad para escoger resistencias de gran valor y ofrece
protección para el impulsor. Una resistencia colocada en esta posición tiene el efecto de
limitar el pico de corriente que fluye en el diodo de 600 V interno del impulsor.
La simetría del impulsor requiere que las resistencias en ambas compuertas sea la
misma, por lo que la resistencia del interruptor aterrizado (R1) deberá ser ligeramente
reducida para cumplir con ello.
14
Tesis de maestría
Capítulo 2. Elaboración del banco de pruebas
2.2.2 Circuitos de ayuda a la conmutación
Una de las principales fuentes de ruido son las inductancias parásitas. Esto ocurre
cuando pasa a través de esta inductancia un di/dt con una pendiente muy pronunciada.
Las redes de ayuda a la conmutación RCD permiten amortiguar los posibles ruidos
producidos por diversas fuentes y controlar la pendiente de la tensión en el semiconductor.
Consisten en una resistencia, un condensador y un diodo [8].
Durante el apagado del interruptor la red de ayuda a la conmutación se llevará la mayor
parte de la corriente, transfiriéndose a la red una gran parte de la disipación de potencia que
tendría que soportar el interruptor sin red. La fiabilidad del interruptor aumenta puesto que
el pico de potencia que ha de disipar se reduce y las oscilaciones de alta frecuencia provocadas
por los elementos parásitos del circuito se ven amortiguadas.
Figura 2.6: Red de ayuda a la conmutación RCD.
A partir de la Figura 2.6, se puede entender el funcionamiento básico del circuito de
ayuda a la conmutación RCD. Cuando el interruptor se apaga, la corriente que procede de la
bobina es conducida a través del diodo D hacia el condensador C de la red. La tensión en
dicho condensador aumentará hasta alcanzar la tensión de alimentación del circuito,
momento en que el diodo principal D1 entraría en conducción para llevarse la corriente de la
bobina.
Cuando el interruptor entra en conducción el condensador de la red se descarga a través
de la resistencia R y del propio interruptor. Una condición de diseño importante es que el
condensador C se descargue totalmente durante la conducción del interruptor para poder
comenzar el siguiente periodo de conmutación con condiciones iniciales de tensión nulas. Por
lo tanto, la constante de tiempo RC en la mencionada red, debe ser menor que el periodo de
Eumir Deidier Enríquez Douriet
15
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
conmutación, ya que se ha de dar tiempo suficiente al condensador C para cargarse y
descargarse en cada ciclo de trabajo. El circuito RCD interviene solo durante las
conmutaciones.
2.3 Implementación del prototipo
En este apartado se muestra el diseño e implementación del balastro empleado para la
caracterización de LAID, así como también del medidor de presencia de resonancias
acústicas.
La carga del balastro será variante debido a que cada una de las lámparas tiene
diferente impedancia, por lo que se implementará un balastro que funcione para el encendido
y operación de todo tipo de lámparas de alta intensidad de descarga.
2.3.1 Inversor puente completo
La fuente de cd que alimentará al inversor puente completo es de 500 V, 5 A y 1000 W.
Los interruptores del inversor se seleccionan de modo que soporten la fase de encendido,
donde los valores de tensión de bloqueo y la corriente llegan a sus valores máximos, y la
operación constante de las lámparas,.
Los interruptores escogidos son MOSFET IRF460, los cuales bloquean una tensión de
500 V y pueden conducir una corriente de 21 A.
Cada una de las ramas del inversor puente completo será comandada por impulsores
IR2110, los cuales necesitan un pulso independiente para activar cada uno de los MOSFET de
la rama.
En el diseño de la tarjeta del circuito impreso se aplican todas las consideraciones del
punto 2.2.1 y el diseño de la red de ayuda a la conmutación se basa en las siguientes
ecuaciones [9]:
A. Condensador de la red de ayuda a la conmutación:
C=
16
∆t
I
∆V
(2.1)
Tesis de maestría
Capítulo 2. Elaboración del banco de pruebas
donde
∆t
es el tiempo de elevación de la tensión en el interruptor,
∆V
es la diferencia entre la tensión máxima y mínima en el interruptor, e
I
es la corriente que circula por el interruptor.
B. Resistencia de la red de ayuda a la conmutación:
R=
ts
C
(2.2)
donde
ts
es 1/10 del periodo de conmutación y
C
es el condensador calculado de la red de ayuda a la conmutación.
C. Cálculo de potencia disipada
P = 1 CV 2 f s
2
(2.3)
donde
V
es la tensión máxima en el interruptor y
fs
es la frecuencia de conmutación.
2.3.2 Generador de pulsos de disparo
El control se implementa con un microcontrolador PIC16F876, este se encarga de
proporcionar los pulsos de activación para los impulsores de los MOSFET, colocar un tiempo
muerto de 600 ns entre pulsos (para evitar traslapes en la conmutación del inversor) y
habilitar o deshabilitar los impulsores.
Para la selección de frecuencia se introduce un código entre 00h y FFh a uno de los
puertos del microcontrolador por medio de una serie de interruptores, por lo tanto, se tienen
256 frecuencias de operación entre 60 Hz y 125 kHz. El programa del microcontrolador se
muestra en el Anexo 2.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
17
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
2.3.3 Diseño magnético de las bobinas del ignitor
La tensión de encendido de las lámparas se selecciona de 4 kV debido a que la tensión
mínima para que enciendan cierto tipo de LAID es de 3.5 kV (Hoja de datos CDM017 de
Philips).
La corriente máxima que circula por el primario del autotransformador en el transitorio
de encendido se fija con respecto a la corriente que soportan los MOSFET seleccionados. Para
evitar que sufran daños los interruptores la corriente propuesta es de 15 A. Cuando la
corriente llega al valor definido, el autotransformador se satura y limita la corriente, evitando
daños en los semiconductores.
Se seleccionó una frecuencia de resonancia considerablemente grande (130 kHz) para
que contribuya a que los valores del inductor y condensador resonantes sean pequeños.
Para seleccionar el núcleo de los disponibles se propuso una densidad de flujo máxima
de 300 mT y se eligió al E-34 debido a que la densidad de flujo máxima a una temperatura de
100 ºC y a una frecuencia de operación de 25 kHz es cercana a lo requerido. Cabe señalar que
la frecuencia a la que se operará este circuito en el encendido es mayor que la prueba
mostrada en la hoja de datos del núcleo. Sin embargo, el ignitor no será operado de manera
continua, sino solo en los encendidos, por lo que los riesgos de calentamiento son menores.
La operación de este ignitor no se encuentra señalada en ninguna literatura, por lo que se hizo
una evaluación experimental con resultados satisfactorios.
El factor de utilización se especificó con un valor bajo (0.2) debido a que se necesitan
capas adicionales de aislamiento en el autotransformador para evitar arqueos de tensión en
ellas [10].
La corriente que circula por el secundario después del encendido de la lámpara es
cercana a los 800 mA, por lo que dos hilos de alambre de cobre de calibre 34 soportan esta
corriente mientras se conmutan los interruptores que dejarán fuera de operación al ignitor.
Debido a que se emplea una frecuencia de operación elevada en el encendido de las LAID, en
la elaboración de la inductancia del primario se utilizan hilos trenzados de calibre 40 para
evitar el efecto piel.
Con base en el esquema del ignitor resonante serie, el procedimiento del diseño
magnético para las bobinas del autotransformador se presenta a continuación.
Las especificaciones de entrada para el diseño de las bobinas acopladas del
autotransformador son:
18
Tesis de maestría
Capítulo 2. Elaboración del banco de pruebas
1. Voltaje de encendido de la lámpara
Vlamp = 4000 V
2. Corriente máxima en el primario del autotransformador
Io = 15 A
3. Frecuencia de conmutación al encendido
fenc = 130 kHz
4. Frecuencia angular al encendido
ω = 816814 rad/s
5. Voltaje aplicado por el inversor
Vin = 400 V
6. Densidad de flujo máxima
Bmax = 0.3 T
7. Longitud del entrehierro
lg = 0.0017 m
8. Permeabilidad del aire
µo = 4π10-7 H/m
9. Factor de utilización
Ku = 0.2
10. Núcleo seleccionado
E-34
11. Área de ventana del núcleo seleccionado
Aw = 102 mm2
12. Longitud promedio por vuelta
ALT = 69 mm
13. Inductancia de 1 vuelta en el núcleo y con el gap seleccionado
Ly = 87.8 ηH
14. Secundario del autotransformador (AWG # 34)
No. de hilos = 2
15. Área del alambre AWG # 34
A34 = 0.0201 mm2
16. Área del alambre AWG # 40 (bobina del primario)
A40 = 0.005 mm2
El voltaje de encendido de la lámpara, considerando que Vlamp>>Vin, donde Vin es la
fundamental del voltaje aplicado por el inversor, será:
V lamp= V Ls + V Lp
(2.4)
Figura 2.7: Ignitor resonante serie previo al encendido de la lámpara.
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19
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
La tensión en la inductancia del primario del autotransformador es:
VLp = I o ⋅ X Lp = I o ⋅ Lp ⋅ ω .
(2.5)
La tensión en la inductancia del secundario del autotransformador es:
VLs = VLp ⋅ N .
(2.6)
Por lo tanto, sustituyendo (2.5) en (2.6) tenemos:
VLs = I o ⋅ Lp ⋅ ω ⋅ N .
(2.7)
Sustituyendo VLp y VLs en (2.4) se tiene:
Vlamp = I o ⋅ Lp ⋅ ω ⋅ (1 + N ) .
(2.8)
De (2.8) se despeja Lp obteniendo:
Lp =
Vlamp
I o ⋅ ω ⋅ (1 + N )
.
(2.9)
Por otra parte, la tensión Vin de la Figura 2.7 es igual a:
X Lp − X C
Vin =
Io
.
(2.10)
Sustituyendo en la ecuación (2.10) los valores de la impedancia capacitiva e inductiva y
despejando de ahí Lp se tiene:
Lp =
Vin ⋅ I o
ω
+
1
.
ω 2C
(2.11)
Igualando las ecuaciones (2.9) y (2.11) se despeja la relación de vueltas N:
N=
Vlamp
I
Vin ⋅ I o + o
ω ⋅C
−1 .
(2.12)
2
Al graficar la ecuación (2.11) para diversos valores de C se puede determinar que el valor
de Lp es positivo si el condensador resonante está dentro del rango de los nanofaradios o
mayores. Puesto que el valor de Lp es determinado en mayor medida por la corriente Io, el
valor de C se propone de un valor comercial pequeño (para que su costo sea menor) pero de
una tensión grande (1000 V).
20
Tesis de maestría
Capítulo 2. Elaboración del banco de pruebas
C = 10nF
(2.13)
Tabla 2.1: Diseño de las bobinas del autotransformador.
Paso
Relación de vueltas (N)
1.
Fórmula general
Vin ⋅ I o 2 +
Inductancia del primario
del autotransformador
2.
Número de vueltas del
primario
3.
Número máximo de
vueltas permitido para
evitar saturación del
núcleo
4.
C = 10 ηF
Vlamp
N=
Lp =
Valores
− 1 Vlamp = 4000 V
Io
ω ⋅C
Io ⋅ ω ⋅ (1 + N )
n max =
N = 3.19 ≈ 3
ω = 816814 rad/s
Io = 15 A
Vlamp
Nx = N y ⋅
Valor calculado
Vlamp = 4000 V
Io = 15 A
ω = 816814 rad/s
(1+N) = 4.19
Ny = 1
Lx
Ly
Ly = 87.8 ηH
Lx = Lp = 40.5µH
Bmax ⋅ 1.5 ⋅ l g
I max ⋅ µ o
Lp = 40.5µH
Bmax = 0.3 T
lg = 0.0017 m
Imax = Io = 15 A
Nx ≈ 22
Por lo tanto:
N1 = 22
nmax ≈ 40
µo = 4π10-7 H/m
5.
Número de vueltas del
secundario
N 2 = N1 ⋅ N
N1 = 22
N=3
N2 ≈ 66
6.
Área ocupada por el
secundario
As = N 2 ⋅ (Hilos)s ⋅ A34
N2 = 65
(No. de hilos)s = 2
A34 = 0.0201 mm2
As = 2.59 mm2
7.
Área destinada para el
primario
Aw = 102 mm2
Ku = 0.2
As = 2.59 mm2
N1 = 22
Ap = 0.83 mm2
Ap = 0.83 mm2
A40 = 0.005 mm2
(No. de hilos)p ≈ 166
Número de hilos
trenzados para el primario
8.
Ap =
( Aw ⋅ K u ) − As
N1
(No. de hilos) p =
Ap
A40
9.
Longitud de cable del
primario
l p = N 1 ⋅ ALT
N1 = 22
ALT = 69 mm
lp = 1482.7 mm
10.
Longitud de cable del
secundario
l s = N 2 ⋅ ALT
N2 = 65
ALT = 69 mm
ls = 4445.11 mm
2.3.3.1 Simulación del ignitor
Se procedió a la simulación del ignitor en PSPICE con los valores específicos de las
bobinas del autotransformador, el valor del condensador propuesto y los dispositivos que se
emplearon en la implementación del puente completo.
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21
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Con el procedimiento de diseño para las bobinas del autotransformador se obtuvieron
los valores necesarios para elaborar las inductancias acopladas que forman el ignitor
resonante serie.
Las especificaciones de la simulación son las siguientes:
Inversor:
Puente completo con modelos de MOSFET
IRF460
Bus de cd:
250 V
Frecuencia de encendido:
130 kHz
Condensador resonante:
10 nF
Inductancia del primario (Lp):
40.5 µH
Inductancia del secundario (Ls):
365µH
En la Figura 2.8 se observa que el ignitor se encuentra en resonancia por lo que
proporcionará la tensión necesaria para encender la lámpara. Los valores máximos mostrados
no serán alcanzados debido a que la simulación se realiza con elementos ideales, un
autotransformador real se saturaría y limitaría la tensión. Además, la lámpara se comporta
como una resistencia después del encendido por lo que la tensión y corriente del
autotransformador se ajustará al valor de la misma.
50KV
0V
-50KV
V(R1:1,R1:2)
500A
0A
SEL>>
-500A
0s
50us
100us
150us
200us
-I(R5)
Time
Figura 2.8: Tensión (gráfica superior) y corriente (gráfica inferior) en la lámpara.
22
Tesis de maestría
Capítulo 2. Elaboración del banco de pruebas
2.3.4 Elaboración del banco resistivo estabilizador
El banco de resistencias debe soportar la operación de cualquier lámpara de alta
intensidad de descarga Para el diseño del banco de resistencias estabilizadoras se debe tomar
en cuenta la corriente máxima que pasará a través de ellas y la impedancia máxima de las
lámparas.
La impedancia máxima medida en las lámparas a caracterizar lleva a la conclusión de
implementar una resistencia estabilizadora total de 164 Ω, por lo que el diseño del banco
resistivo comprende el empleo de resistencias de 4.7 Ω a 25 W en paralelo, para que soporten
corrientes de hasta 4 A.
El banco resistivo es esencial para las pruebas de estabilidad, debido a esto, la
resistencia total se puede reducir en escalones de 15 Ω cortocircuitando grupos de resistencias
mediante interruptores de cola de ratón.
2.3.5 Diseño del medidor de resonancias acústicas
Para conocer el comportamiento de la tensión ante el fenómeno de resonancias
acústicas es necesario filtrar la componente de baja frecuencia. Se emplea un filtro activo
Butterworth de 4to orden con una frecuencia de corte de 25 Hz para obtener la señal de
tensión de baja frecuencia presente en la lámpara.
Tomando como referencia el circuito propuesto en [11] se presenta el esquema de
medición para tomar las muestras de tensión en la lámpara.
Figura 2.9: Diagrama a bloques del medidor de resonancias acústicas.
En el esquema anterior el circuito diferencial se utiliza para medir la tensión en la
lámpara. Los amplificadores se emplean para procesar la señal de tensión y escalar su
amplitud a un valor adecuado. La señal obtenida de los amplificadores se hace pasar por
medio del filtro Butterworth. Finalmente, la señal de salida del filtro se amplifica para obtener
la evolución de baja frecuencia del fenómeno de resonancias acústicas.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
23
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
2.4 Funcionamiento del módulo
El inversor puente completo se alimenta a través de una fuente de corriente directa de 5
A, 500 V y 1000 W.
Un microcontrolador PIC16F876 genera cuatro pulsos de encendido a 130 kHz,
frecuencia a la cual entra en resonancia el primario del ignitor junto al condensador
resonante. La tensión del primario se suma a la del secundario para encender la lámpara, la
cual se encuentra en serie con una resistencia estabilizadora.
Después de los cuatro pulsos, la lámpara enciende y el microcontrolador genera pulsos
de 400 Hz, frecuencia a la cual no existe resonancia. A continuación se abre el interruptor uno
y se cierra el interruptor dos, para que el inversor quede directamente conectado a la lámpara
en serie con la resistencia de estabilización.
Conclusiones
Se propone la elaboración de un banco de pruebas para la caracterización de diferentes
tipos de LAID, el cual deberá encenderlas y operarlas en estado estable con formas de onda
cuadradas.
Se presenta la selección de los circuitos más apropiados para esta aplicación, así
también los puntos más importantes en el diseño de inversores debido a que el diseño de
estos circuitos tiene que tomar en cuenta diversos factores que afectan su funcionamiento.
El banco de pruebas propuesto está formado por un inversor puente completo, control
de impulsores, ignitor, resistencia estabilizadora y medidor de resonancias acústicas. Se
procedió al diseño de cada uno de ellos.
Finalmente, se explica el funcionamiento del balastro para encender y operar lámparas
de alta intensidad de descarga alimentadas con formas de onda cuadradas en estado estable.
En el capítulo sucesivo se mostrarán los resultados obtenidos de caracterizar LAID ante
variaciones en la frecuencia de operación.
24
Tesis de maestría
Capítulo 3
Caracterización ante variaciones de
frecuencia
En una investigación anterior [3] se determinó que la frecuencia de operación no afecta la eficacia
del las lámparas de vapor de sodio de baja presión, sin embargo, no se consideran otros aspectos
fotométricos. Es por esto que en este capítulo se presentan los resultados de la caracterización de LAID
alimentadas con formas de onda cuadradas ante variaciones en la frecuencia de operación. Se realizan
comparaciones entre la alimentación con formas de onda cuadradas y formas de onda producidas por un
balastro electromagnético a 60 Hz. Los parámetros a comparar son eficacia, índice de rendimiento de color
y temperatura del color. Además, se evalúa la variación de la resistencia de lámpara ante cambios en la
frecuencia.
25
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
3.1 Procedimiento de caracterización
La caracterización de lámparas ante variaciones en la frecuencia de operación tiene
como objetivo observar el comportamiento de las lámparas de alta intensidad de descarga
operadas con formas de onda cuadradas para obtener resultados que le indiquen al diseñador
de balastros cual es la frecuencia de operación en la que se obtienen las mejores
características fotométricas en cada LAID.
En las lámparas de alta intensidad de descarga nuevas, los parámetros eléctricos de
corriente y tensión se estabilizan hasta después de 200 horas de funcionamiento. Por lo que
es necesario poner en maduración la lámpara bajo prueba durante ese tiempo para que sus
parámetros eléctricos no varíen.
El procedimiento de caracterización para variación en frecuencia se presenta en la
siguiente tabla.
Tabla 3.1: Procedimiento de caracterización con variacion en frecuencia.
Caracterización con variación en frecuencia
Condiciones de
operación
a) Maduración
previa de la
lámpara durante
200 horas
b) Potencia de la
lámpara constante
en su valor
nominal
c) Frecuencia de
operación: 54
valores entre 60
Hz y 125 kHz
Procedimiento de medición
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
Encender la lámpara a 130 kHz
Ajustar frecuencia de operación a 400 Hz
Desconectar el ignitor
Ajustar frecuencia de operación para la
prueba
Esperar 10 minutos para que se estabilice la
corriente y la tensión de lámpara
Observar presencia de resonancias acústicas
Medir las características de la lámpara:
lúmenes, IRC, CCT y RL
Incrementar frecuencia de operación 1 kHz y
repetir los pasos 5 a 7 hasta llegar a 125 kHz
Gráficas obtenidas
ƒ Eficacia vs.
frecuencia
ƒ Índice de
rendimiento de
color vs. frecuencia
ƒ Temperatura del
color vs. frecuencia
ƒ Resistencia de
lámpara vs.
frecuencia
3.2 Resultados de caracterización
Las lámparas de alta intensidad de descarga caracterizadas se presentan en la siguiente
tabla:
26
Tesis de maestría
Capítulo 3. Caracterización ante variaciones de frecuencia
Tabla 3.2: Lámparas caracterizadas con variación en frecuencia.
LÁMPARAS DE HALOGENUROS METÁLICOS
CDM70/TD/830 (70 W – Philips)
CDM70/R/PAR38/FL/3K (70 W – Philips)
LÁMPARAS DE VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN
LUCALOX LU70/52 (70 W – General Electric)
CERAMALUX C100S54/ALTO (100 W – Philips)
LÁMPARAS DE VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN
H39KC 175/DX (175 W – Philips)
3.2.1 Eficacia
La eficacia luminosa es una característica de las lámparas que se ha definido con detalle
en el capítulo 1, mientras que la forma de calcular este valor se explica en el capítulo 2. Al
determinar las variaciones de este parámetro ante cambios en la frecuencia se puede realizar
el diseño de balastros electrónicos con la frecuencia de operación donde se obtenga la mejor
eficacia de la lámpara, contribuyendo a la mejor utilización de la energía eléctrica.
Los datos obtenidos de la eficacia en la caracterización de LAID alimentadas con formas
de onda cuadradas ante variaciones en la frecuencia de operación se muestran en la gráfica de
la Figura 3.1. Como se puede observar, la eficacia en lámparas de alta intensidad de
descarga alimentadas con formas de onda cuadradas no tiene variaciones significativas ante
cambios en la frecuencia de operación.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
27
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 3.1: Eficacia vs. frecuencia
En la Tabla 3.3 se muestra una comparación entre la eficacia obtenida alimentando las
LAID con formas de onda producidas por un balastro electromagnético y aquella conseguida
con formas de onda cuadradas, ambas a 60 Hz.
Tabla 3.3: Comparación de datos - Eficacia Luminosa
EFICACIA
Lámparas
LUCALOX
Vapor de sodio
CERAMALUX
Vapor de sodio
CDM-TD
Halogenuros
CDM-R
Halogenuros
Ondas producidas
por balastro
electromagnético a
60 Hz
Ondas
cuadradas a
60 Hz
Diferencia
(%)
81.32 Lm/W
77.86 Lm/W
-4.25 %
82.88 Lm/W
97.01 Lm/W
17 %
85.22 Lm/W
85.49 Lm/W
0.31 %
58.16 Lm/W
62.90 Lm/W
8.14 %
43.19 Lm/W
42.26 Lm/W
-2.15 %
H39KC
Vapor de
mercurio
28
Valor
máximo
(ondas
cuadradas)
77.86 Lm/W
@ 60 Hz
101.4 Lm/W
@ 16 kHz
90.09 Lm/W
@ 109 kHz
64.67 Lm/W
@ 3 kHz
44.16 Lm/W
@ 31.2 kHz
Diferencia
(%)
-4.25 %
22.34 %
5.71 %
11.19 %
2.24 %
Tesis de maestría
Capítulo 3. Caracterización ante variaciones de frecuencia
La tabla comparativa muestra que la alimentación de LAID con formas de onda
cuadradas es benéfica en tres de las cinco lámparas a 60 Hz.
En las lámparas LUCALOX y H39KC operadas a 60 Hz con formas de onda cuadradas
presentan una eficacia menor a la obtenida con un balastro electromagnético.
La lámpara de vapor de sodio CERAMALUX presenta un incremento significativo de la
eficacia (17%) al ser operada con formas de onda cuadradas a 60 Hz en comparación con lo
registrado con el balastro electromagnético, obteniendo una diferencia máxima de 22.34 % a
16 kHz de operación.
El concepto de eficacia es un término que relaciona unidades diferentes (lúmenes y
watts), por lo que al lector le podría resultar complicado comparar y explicar estos resultados;
es por esto que se introduce el concepto de eficiencia, la cual relaciona unidades iguales y se
expresa en porcentajes.
Tabla 3.4: Comparación de resultados - Eficiencia
EFICIENCIA
Lámparas
LUCALOX
Vapor de sodio
CERAMALUX
Vapor de sodio
CDM-TD
Halogenuros
CDM-R
Halogenuros
Ondas producidas
por balastro
electromagnético a
60 Hz
Ondas
cuadradas a
60 Hz
Diferencia
(%)
11.9 %
11.39 %
-0.51 %
12.13 %
14.2 %
2.07 %
12.47 %
12.51 %
0.04 %
8.51 %
9.2 %
0.69 %
6.32 %
6.18 %
-0.14 %
H39KC
Vapor de
mercurio
Valor
máximo
(ondas
cuadradas)
11.39 %
@ 60 Hz
14.84 %
@ 16 kHz
13.2 %
@ 109 kHz
9.4 %
@ 3 kHz
6.46 %
@ 31.2 kHz
Diferencia
(%)
-0.51 %
2.71 %
0.74 %
0.89 %
0.14 %
La eficiencia de una fuente de luz representa el porcentaje de la energía transformada
en luz con respecto a la energía total consumida por lumen. El porcentaje se obtiene del
Eumir Deidier Enríquez Douriet
29
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
cociente de la eficacia de una determinada fuente de luz entre la eficacia de una fuente
luminosa ideal, es decir una fuente que transforma el 100 % de la energía consumida en luz.
La eficiencia de las LAID es mucho mejor que las de las lámparas incandescentes, las
cuales presentan una eficiencia de 1.17 %.
Como se muestra en la Tabla 3.4 la eficiencia en las lámparas de halogenuros
metálicos y en la CERAMALUX se incrementa al operarlas con formas de onda cuadradas a
60 Hz; no así para las lámparas LUCALOX y H39KC, sin embargo, esta última presenta una
eficacia mayor a la medida con un balastro electromagnético cuando se opera con formas de
onda cuadradas a 31.2 kHz.
3.2.2 Índice de rendimiento de color
El índice de rendimiento de color es un parámetro de las lámparas que se ha definido en
el capítulo 1, mientras que la forma de obtener este valor se explica en el capítulo 2. La
caracterización realizada determinará si la frecuencia de operación tiene algún efecto sobre
esta variable (Figura 3.2).
Figura 3.2: Índice de rendimiento de color vs. frecuencia
Las lámparas que mejor reproducen los colores son las de halogenuros metálicos con un
IRC de alrededor de 80, sin embargo, el índice alcanzado con formas de onda cuadradas a 60
Hz es menor al obtenido con un balastro electromagnético operando a la misma frecuencia.
Para obtener una mejoría en el índice de rendimiento de color de las lámparas operadas
con formas de onda cuadradas es necesario incrementar la frecuencia.
30
Tesis de maestría
Capítulo 3. Caracterización ante variaciones de frecuencia
Si se compara la forma de alimentación de las lámparas de vapor de sodio se puede
concluir que la operación con formas de onda cuadradas es mejor que la operación con
balastros electromagnéticos debido a que con las primeras se presentó una mejoría
considerable en el IRC.
La lámpara de vapor de mercurio presentó un mejor comportamiento al alimentarla con
formas de onda cuadradas que con el balastro electromagnético, sin embargo, esta mejoría
representa un porcentaje pequeño y no se incrementa al aumentar la frecuencia de operación.
En la Tabla 3.5 se puede observar una comparativa del índice de rendimiento de color
entre la alimentación de lámparas de alta intensidad de descarga con formas de onda
producidas por un balastro electromagnético y con formas de onda cuadradas, ambas a 60 Hz
de operación. Además, se presenta el valor máximo del IRC conseguido con formas de onda
cuadradas y la frecuencia a la que se obtuvo tal medida.
Tabla 3.5: Comparación de resultados - IRC
ÍNDICE DE RENDIMIENTO DE COLOR
Lámparas
LUCALOX
Vapor de sodio
CERAMALUX
Vapor de sodio
CDM-TD
Halogenuros
CDM-R
Halogenuros
Ondas producidas
por balastro
electromagnético a
60 Hz
Ondas
cuadradas a
60 Hz
Diferencia
(%)
24.6
37.9
54.06 %
12.6
14.4
14.28 %
81.2
80.2
-1.23 %
78.4
77.3
-1.4 %
45.9
46.4
1.08 %
H39KC
Vapor de
mercurio
Eumir Deidier Enríquez Douriet
Valor
máximo
(ondas
cuadradas)
49.3
@ 8 kHz
16.9
@ 35.2 kHz
83
@ 13 kHz
81.6
@ 125 kHz
46.7
@ 10 kHz
Diferencia
(%)
100.4 %
34.12 %
2.21 %
4.08 %
1.74 %
31
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
3.2.3 Temperatura del color
La temperatura del color es un parámetro de las lámparas que se ha definido en el
capítulo 1, mientras que la forma de obtener este valor se explica en el capítulo 2.
Los cambios de la temperatura del color ante variaciones de la frecuencia nos indican si
es posible crear diferentes tipos de atmósferas (cálida o fría) con una misma lámpara.
Figura 3.3: Temperatura del color vs. frecuencia
Las lámparas de vapor de sodio de alta presión presentan una temperatura del color
cálida alrededor de los 1900 ºK, mientras que las lámparas de halogenuros metálicos
presentan una temperatura del color intermedia cercana a los 3000 ºK. Por su parte, la
lámpara de vapor de mercurio presenta una temperatura del color fría por arriba de los 3700
ºK.
Como se puede observar en la tabla comparativa correspondiente (Tabla 3.6), los
porcentajes de variación de la temperatura del color no son significativos entre la
alimentación de las lámparas con formas de onda cuadradas y con un balastro
electromagnético.
La clasificación de la temperatura del color en cálida o fría se da obedeciendo
determinados rangos. Con las variaciones mostradas en la Figura 3.3 ninguna lámpara
cambia de rango.
El incremento en la frecuencia de operación en las lámparas alimentadas con formas de
onda cuadradas no representa una mejoría considerable en la característica de temperatura
del color.
32
Tesis de maestría
Capítulo 3. Caracterización ante variaciones de frecuencia
Tabla 3.6: Comparación de resultados - Temperatura del color
TEMPERATURA DEL COLOR
Lámparas
LUCALOX
Vapor de sodio
CERAMALUX
Vapor de sodio
CDM-TD
Halogenuros
CDM-R
Halogenuros
Ondas producidas
por balastro
electromagnético a
60 Hz
Ondas
cuadradas a
60 Hz
Diferencia
(%)
1913 ºK
1905 ºK
-0.41 %
1956 ºK
1898 ºK
-2.9 %
2934 ºK
2922 ºK
-0.4 %
3117 ºK
3149 ºK
1.02 %
3647 ºK
3736 ºK
2.44 %
H39KC
Vapor de
mercurio
Valor
máximo
(ondas
cuadradas)
Diferencia
(%)
1949 ºK
@ 8 kHz
1903 ºK
@ 12 kHz
2922 ºK
@ 60 Hz
3149 ºK
@ 60 Hz
3741 ºK
@ 3 kHz
1.88 %
-2.7 %
-0.4 %
1.02 %
2.57 %
3.2.4 Resistencia promedio de la lámpara
Generalmente, la resistencia equivalente de la lámpara se considera constante en
aplicaciones donde la potencia no varía. La medición de este parámetro se escogió con el
objetivo de verificar si los cambios en la frecuencia de operación afectan su valor.
Determinar la resistencia equivalente de la lámpara ayuda al diseñador de balastros
electrónicos a colocar la impedancia necesaria en el balastro para que la lámpara permanezca
estable de acuerdo al criterio de estabilidad correspondiente.
Para obtener la resistencia de la lámpara se aplicó un factor de corrección (3.1) debido a
que la impedancia medida en los extremos de la lámpara contenía también la inductancia
parásita de los cables de alimentación que conectan el balastro con la lámpara. La impedancia
total se calculó a partir de los valores eficaces de tensión y corriente.
Rlamp = ZT 2 − X Lc 2
(3.1)
donde
Eumir Deidier Enríquez Douriet
33
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Rlamp
es la resistencia de lámpara,
ZT
es la impedancia total medida en los extremos de la lámpara y
XLc
es la impedancia de la inductancia producida por los cables de alimentación.
Figura 3.4: Resistencia de lámpara vs. frecuencia
Como se puede observar en la Figura 3.4 en todas las lámparas existe un ligero
incremento en su resistencia al aumentar la frecuencia.
Considerando que la resistencia es una medida indirecta de la temperatura a la cual
opera la lámpara, se realizaron mediciones de temperatura en el interior de la esfera
integradora que contenía las lámparas durante todo el proceso de caracterización para
observar cualquier cambio. El resultado obtenido es que la temperatura ambiente donde se
encuentran las lámparas no tiene variaciones al incrementar la frecuencia.
Por lo tanto, al no haber otro factor que influya en la resistencia de la lámpara, se puede
concluir que el incremento en la resistencia de las lámparas ante variaciones en la frecuencia
es consecuencia de los tiempos muertos del inversor del balastro que alimenta a las lámparas,
esto es, que al aumentar la frecuencia existe un incremento en los tiempos muertos de la
forma de onda aplicada.
Conclusiones
De los resultados obtenidos en este capítulo se observa que la eficacia, el índice de
rendimiento de color y la temperatura del color en las lámparas caracterizadas no sufren
34
Tesis de maestría
Capítulo 3. Caracterización ante variaciones de frecuencia
cambios significativos al variar la frecuencia de operación en el rango comprendido entre 60
Hz y 125 kHz. Sin embargo, la resistencia equivalente de la lámpara presenta un ligero
incremento debido a que la frecuencia de operación afecta los tiempos muertos de la forma de
onda aplicada y en consecuencia afecta a la impedancia de la lámpara.
Tabla 3.7: Resumen del capítulo 3.
Respuesta ante variaciones de frecuencia (60 Hz – 125 kHz)
Comparación alimentación (balastro electromagnético vs. ondas cuadradas)
Lámpara
Eficacia
Eficiencia
Índice de
rendimiento
de color
Temperatura
del color
LUCALOX
Sin cambio
Sin cambio
Sin cambio
Sin cambio
Vapor de sodio
Sin variación
Sin variación
Mejoría
Mejoría
CERAMALUX
Sin cambio
Sin cambio
Sin cambio
Sin cambio
Vapor de sodio
Mejoría
Mejoría
Mejoría
Mejoría
CDM-TD
Sin cambio
Sin cambio
Sin cambio
Decremento
Incremento
Incremento
Incremento
Halogenuros
metálicos
Mejoría
Mejoría
Sin variación
Mejoría
CDM-R
Sin cambio
Sin cambio
Sin cambio
Decremento
Halogenuros
metálicos
Mejoría
Mejoría
Sin variación
Mejoría
H39KC
Sin cambio
Sin cambio
Sin cambio
Sin cambio
Vapor de
mercurio
Resistencia
de lámpara
Incremento
Sin cambio
Mejoría
Mejoría
Sin variación
Mejoría
Una conclusión importante de este capítulo es la comparación entre los resultados
obtenidos alimentando con forma de ondas cuadradas y los obtenidos con un balastro
electromagnético convencional.
En cuanto a la eficacia, todas las lámparas presentan una mejoría cuando se operan a
frecuencias mayores de 60 Hz con formas de onda cuadradas, excepto la lámpara LUCALOX.
Con relación al índice rendimiento de color las lámparas de vapor de sodio presentan una
mejoría considerable con formas de onda cuadradas, mientras que las demás lámparas no
Eumir Deidier Enríquez Douriet
35
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
tienen variaciones significativas. En cuanto a la temperatura del color, se observa en todas las
lámparas una mejoría cuando se operan con formas de onda cuadradas.
Todas las pruebas realizadas en este capítulo fueron libres de resonancias acústicas, lo
que demuestra que la alimentación con formas de onda cuadradas es un método apropiado
para evitar este fenómeno no deseado.
En el siguiente capítulo se mostrarán los resultados obtenidos en la caracterización de
lámparas de alta intensidad de descarga ante variaciones en la intensidad luminosa.
36
Tesis de maestría
Capítulo 4
Caracterización con control de
intensidad luminosa
Al aplicar un control de intensidad luminosa a lámparas alimentadas con formas sinusoidales se
puede observar que varían las características fotométricas de las mismas [12]. En este capítulo se presentan
los resultados de la caracterización con control de intensidad luminosa aplicada a LAID, obteniéndose las
gráficas de resistencia de lámpara, eficacia, índice de rendimiento de color y temperatura del color. La
definición de estos parámetros, así como su modo de medición fueron detallados en los capítulos 1 y 2,
respectivamente.
37
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
4.1 Procedimiento de caracterización
Cuando se aplica un control de intensidad luminosa a una lámpara de descarga se
producen variaciones en su potencia nominal. Bajo estas condiciones los parámetros
eléctricos de la lámpara como la resistencia equivalente, la tensión y la corriente varían.
En consecuencia, la aplicación de un control de intensidad luminosa en LAID
alimentadas con formas de onda cuadradas puede tener efectos sobre algunos parámetros de
la lámpara como la eficacia, el índice de rendimiento de color y la temperatura del color.
En el presente trabajo de tesis el control de intensidad luminosa se realiza
disminuyendo o aumentando manualmente la tensión de entrada del inversor puente
completo del módulo de pruebas.
Tabla 4.1: Procedimiento de caracterización con control de intensidad luminosa.
Caracterización con control de intensidad luminosa
Condiciones de
operación
a) Maduración previa
de la lámpara
durante 200 horas.
b) Potencia de la
lámpara constante en
su valor nominal de
prueba.
c) Potencia de lámpara:
10 valores entre el
máximo y mínimo
rango.
d) Frecuencia de
operación: 10
valores entre 60 Hz
y 125 kHz
Procedimiento de medición
1) Encender la lámpara a 130 kHz
2) Ajustar frecuencia de operación a 400 Hz
3) Desconectar ignitor
Gráficas obtenidas
ƒ Resistencia de
lámpara vs. CIL
ƒ Eficacia vs. CIL
4) Ajustar potencia de la lámpara para la
prueba
ƒ Índice de
rendimiento de
color vs. CIL
5) Ajustar frecuencia de operación para la
prueba
ƒ Temperatura del
color vs. CIL
6) Esperar 10 minutos para que se estabilice la
ƒ Tensión instantánea
corriente y la tensión de lámpara
vs. corriente
7) Observar presencia de resonancias
instantánea
acústicas
8) Medir las características de la lámpara:
lúmenes, IRC, CCT, y RL
9) Incrementar frecuencia de operación en 10
kHz y repetir los pasos 5 a 8
10)
Incrementar potencia de la lámpara y
repetir los pasos 4 a 9
La caracterización tiene como objetivo observar el comportamiento de las lámparas de
descarga alimentadas con formas de onda cuadradas ante variaciones en el control de
intensidad luminosa y frecuencia de operación. La importancia de cada uno de los parámetros
38
Tesis de maestría
Capítulo 4. Caracterización con control de intensidad luminosa
medidos, así como su relación con este trabajo de tesis, fueron explicados en el capítulo
anterior.
4.2 Resultados de caracterización
Las lámparas de alta intensidad de descarga caracterizadas se presentan en la siguiente
tabla:
Tabla 4.2: Lámparas caracterizadas con control de intensidad luminosa.
LÁMPARAS DE HALOGENUROS METÁLICOS
CDM70/TD/830 (70 W – Philips)
CDM70/R/PAR38/FL/3K (70 W – Philips)
LÁMPARAS DE VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN
LUCALOX LU70/52 (70 W – General Electric)
CERAMALUX C100S54/ALTO (100 W – Philips)
LÁMPARAS DE VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN
H39KC 175/DX (175 W – Philips)
4.2.1 Resistencia promedio de la lámpara
Conocer el comportamiento de la resistencia equivalente de la lámpara al aplicarse un
control de intensidad luminosa en LAID alimentadas con formas de onda cuadradas es de
vital importancia para el diseño de balastros electrónicos, debido a que este parámetro se
encuentra estrechamente relacionado con la estabilidad de la lámpara. Además, el
comportamiento esta característica se toma como base para la elaboración de modelos
matemáticos de las lámparas.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
39
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 4.1: Resistencia vs. potencia en lámparas de vapor de sodio.
40
Tesis de maestría
Capítulo 4. Caracterización con control de intensidad luminosa
Figura 4.2: Resistencia vs. potencia en lámparas de halogenuros metálicos.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
41
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 4.3: Resistencia vs. potencia en una lámpara de vapor de mercurio.
Tabla 4.3: Síntesis de las gráficas de la resistencia equivalente promedio.
Resistencia equivalente @ CIL, Frecuencia
Lámpara
LUCALOX
CIL
10% al 100%
Vapor de sodio
CERAMALUX
Vapor de sodio
10% al 100%
CDM-TD
Halogenuros
metálicos
35% al 100%
CDM-R
Halogenuros
metálicos
40% al 100%
H39KC
Vapor de
mercurio
42
10% al 100%
Mínima
Máxima
Tendencia
49.34Ω
108.16Ω
@ 80%, 20 kHz
@ 10%, 125 kHz
18.88Ω
35.06Ω
@ 10%, 20 kHz
@ 30%, 60 Hz
90.26Ω
340.43Ω
@ 100%, 10 kHz
@ 35%, 86.5 kHz
117.18Ω
381.63Ω
@ 100%, 10 kHz
@ 40%, 61 kHz
75.71Ω
143.19Ω
@ 10%, 10 kHz
@ 60%, 125 kHz
No hay
No hay
Disminuir
Disminuir
Parabólica
Tesis de maestría
Capítulo 4. Caracterización con control de intensidad luminosa
En cada una de las lámparas se consigue una intensidad luminosa mínima que depende
directamente de la resistencia estabilizadora máxima del banco resistivo que se encuentra en
serie con la lámpara. Con una resistencia estabilizadora adecuada (suficientemente mayor a la
resistencia promedio de la lámpara) se podría conseguir valores de CIL hasta del 1 %.
En las lámparas de vapor de sodio de alta presión se logró realizar un control de
intensidad luminosa mínimo del 10 % de la potencia nominal, valores menores producían
inestabilidad en la lámpara. Como puede observarse en la Figura 4.1, la resistencia de
lámpara en LAID de vapor de sodio no tiene una tendencia estable ante variaciones en la
potencia nominal o en la frecuencia de operación.
La resistencia de la lámpara LUCALOX varía desde un mínimo de 49.34 Ω a 20 kHz con
78 % de CIL hasta 108.16 Ω a 125 kHz con 10 % de CIL, lo que representa un incremento del
119 % en la resistencia de la lámpara. Por su parte, en la lámpara CERAMALUX la resistencia
varía desde un mínimo de 18.88 Ω a 20 kHz con 10 % de CIL hasta 35.06 Ω a 60 Hz con 30 %
de CIL, esta diferencia representa un aumento en la resistencia de la lámpara del 85 %.
Las lámparas de halogenuros metálicos solo permitieron un control de intensidad
mínimo de alrededor del 30 % del valor de la potencia nominal. Ambas lámparas de
halogenuros metálicos tienen el mismo comportamiento: al disminuir la potencia nominal
cuando se aplica un control de intensidad luminosa la resistencia de las lámparas se
incrementa. La resistencia equivalente de lámpara también se incrementa al aumentar la
frecuencia de operación, como puede observarse en la Figura 4.2.
La resistencia de la lámpara CDM-TD varía desde un mínimo de 90.26 Ω a 10 kHz con
100 % de CIL hasta 340.43 Ω a 86.5 kHz con 10 % de CIL, lo que representa un incremento
del 277 % en la resistencia de la lámpara. Por su parte, en la lámpara CDM-R la resistencia
varía desde un mínimo de 117.18 Ω a 10 kHz con 100 % de CIL hasta 381.63 Ω a 61 kHz con 10
% de CIL, esta diferencia representa un aumento en la resistencia de la lámpara del 225 %.
En la Figura 4.3 se muestra el comportamiento de la resistencia equivalente en la
lámpara de vapor de mercurio ante un control de intensidad luminosa. Esta lámpara permitió
un CIL mínimo del 10 % de su potencia nominal. Se observa una ligera tendencia parabólica
en la resistencia equivalente de la lámpara H39KC. Inicia con un valor de resistencia en su
potencia nominal que se incrementa conforme se reduce el CIL hasta el 50 %. Después de este
punto la resistencia equivalente empieza a reducirse de nuevo hasta llegar a un CIL del 10 %.
La variación de la resistencia equivalente, producto de los cambios en la frecuencia de
operación, no es significativa. La resistencia varía desde un mínimo de 75.71 Ω a 10 kHz con
Eumir Deidier Enríquez Douriet
43
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
10 % de CIL hasta 143.19 Ω a 125 kHz con 60 % de CIL, lo que representa un incremento del
89 %.
4.2.2 Resistencia instantánea de la lámpara
El comportamiento de la resistencia instantánea de la lámpara puede determinarse
mediante las gráficas de tensión instantánea contra corriente instantánea. Se presentan éstas
gráficas a dos diferentes frecuencias de operación de la lámpara.
Para graficar las curvas se obtienen 10000 datos de los valores instantáneos de tensión
y corriente, independientemente de la frecuencia a la que se trabaje. A medida que se
aumenta la frecuencia de operación también se incrementan los datos que registran la
trayectoria de la conmutación.
Figura 4.4: Tensión instantánea vs. corriente instantánea en la lámpara.
44
Tesis de maestría
Capítulo 4. Caracterización con control de intensidad luminosa
Figura 4.5: Tensión instantánea vs. corriente instantánea en la lámpara.
Figura 4.6: Tensión instantánea vs. corriente instantánea en lámpara.
Figura 4.7: Tensión instantánea vs. corriente instantánea en lámpara.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
45
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 4.8: Tensión instantánea vs. corriente instantánea en lámpara.
La resistencia instantánea en las lámparas de vapor de sodio caracterizadas presenta un
comportamiento lineal, o sea, al incrementarse la corriente instantánea también aumenta la
tensión instantánea de lámpara (Figura 4.4 y Figura 4.5).
Las lámparas de halogenuros metálicos presentan un comportamiento parabólico en su
resistencia dinámica, esto es, la tensión instantánea se reduce conforme aumenta la corriente
instantánea hasta un 50 % de la potencia nominal, de ahí en adelante la tensión instantánea
vuelve a incrementarse ante aumentos en la corriente instantánea (Figura 4.6 y Figura
4.7).
La lámpara de vapor de mercurio tiene una tendencia lineal similar a la observada con
las lámparas de vapor de sodio, al incrementarse la corriente instantánea aumenta la tensión
instantánea (Figura 4.8).
4.2.3 Eficacia
Las gráficas de eficacia obtenidas en la caracterización realizada se muestran en la
Figura 4.9 a la Figura 4.11.
46
Tesis de maestría
Capítulo 4. Caracterización con control de intensidad luminosa
Figura 4.9: Eficacia vs. potencia en lámparas de vapor de sodio.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
47
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 4.10: Eficacia vs. potencia en lámparas de halogenuros metálicos.
48
Tesis de maestría
Capítulo 4. Caracterización con control de intensidad luminosa
Figura 4.11: Eficacia vs. potencia en lámpara de vapor de mercurio.
Tabla 4.4: Síntesis de las gráficas de eficacia.
Eficacia @ Dimming, Frecuencia
Lámpara
LUCALOX
Dimming
10% al 100%
Vapor de sodio
CERAMALUX
Vapor de sodio
10% al 100%
CDM-TD
Halogenuros
metálicos
35% al 100%
CDM-R
Halogenuros
metálicos
40% al 100%
H39KC
Vapor de
mercurio
10% al 100%
Eumir Deidier Enríquez Douriet
Mínima
Máxima
23.14 Lm/W
81.6 Lm/W
@ 10%, 125 kHz
@ 80%, 61 kHz
24.86 Lm/W
99.7 Lm/W
@ 10%, 125 kHz
@ 100%, 61 kHz
44.83 Lm/W
89.16 Lm/W
@ 35%, 86.5 kHz
@ 100%, 61 kHz
32.54 Lm/W
62.9 Lm/W
@ 40%, 61 kHz
@ 100%, 60 Hz
6.34 Lm/W
43.93 Lm/W
@ 10%, 125 kHz
@ 100%, 40 kHz
Tendencia
Incrementar
Incrementar
Incrementar
Incrementar
Incrementar
49
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
La eficacia máxima se obtiene a la potencia nominal de lámpara; excepto para algunas
frecuencias en la lámpara LUCALOX, ya que en ésta el valor máximo se consiguió al 70 % de
la potencia nominal.
En todas las lámparas caracterizadas la eficacia mantiene el mismo comportamiento: a
medida que el control de intensidad luminosa se acerca a la potencia nominal de la lámpara la
eficacia se incrementa. Asimismo, la variación en la frecuencia de operación no representa
cambios considerables en la eficacia de las lámparas cuando se les aplica un control de
intensidad luminosa.
Puede observarse que existe una diferencia considerable entre la eficacia obtenida al
menor porcentaje de CIL posible y la potencia nominal de lámpara. Las lámparas de vapor de
sodio presentan diferencias de 60 Lm/W, lo que representa un incremento en la eficacia de
300 %. Mientras que en las lámparas de halogenuros metálicos existen diferencias de 25
Lm/W, representando un incremento de 88 % en la eficacia. Por su parte, la lámpara de
vapor de mercurio de muestra una diferencia 35 Lm/W, lo que representa un aumento de
460% en la eficacia.
4.2.4 Índice de rendimiento de color
Las gráficas relativas al índice de rendimiento de color se muestran en la Figura 4.12 a
la Figura 4.14.
50
Tesis de maestría
Capítulo 4. Caracterización con control de intensidad luminosa
Figura 4.12: Índice de rendimiento de color vs. potencia en lámparas de vapor de sodio.
En la Figura 4.12 se puede observar que las lámparas de vapor de sodio presentan en
algunas potencias un IRC cero, aunque la lámpara seguía encendida.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
51
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 4.13: IRC vs. potencia en lámparas de halogenuros metálicos.
52
Tesis de maestría
Capítulo 4. Caracterización con control de intensidad luminosa
Figura 4.14: IRC vs. potencia en una lámpara de vapor de mercurio.
Tabla 4.5: Síntesis de las gráficas del índice de rendimiento de color.
IRC @ Dimming, Frecuencia
Lámpara
LUCALOX
Dimming
10% al 100%
Vapor de sodio
CERAMALUX
Vapor de sodio
10% al 100%
CDM-TD
Halogenuros
metálicos
35% al 100%
CDM-R
Halogenuros
metálicos
40% al 100%
H39KC
Vapor de
mercurio
10% al 100%
Eumir Deidier Enríquez Douriet
Mínima
Máxima
0
55
@ 10%, 125 kHz,
@ 100%, 60 Hz,
0
16.8
@ 10%, 125 kHz,
@ 30%, 61 kHz,
52.9
82.5
@ 35%, 1 kHz,
@ 100%, 40 kHz,
39.3
82.5
@ 40%, 30 kHz,
@ 100%, 125 kHz,
46.2
50.6
@ 100%, 61 kHz,
@ 10%, 125 kHz,
Tendencia
Incrementar
Incrementar
Incrementar
Incrementar
Disminuir
53
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
El índice de rendimiento de color se incrementa al acercarse el control de intensidad
luminosa a la potencia nominal en las lámparas de vapor de sodio y halogenuros metálicos.
Sin embargo, en la lámpara de vapor de mercurio el IRC tiene un comportamiento parabólico.
Lo anterior tiene su explicación en que todas las lámparas bajo prueba, excepto la de vapor de
mercurio, carecen de una cubierta fosforescente que convierta las radiaciones UV a luz visible.
Las lámparas de vapor de sodio y halogenuros metálicos muestran el IRC máximo al
100 % de su potencia nominal. En la lámpara de vapor de mercurio el IRC máximo se
presenta al 10 % de la potencia nominal de lámpara, mientras que el valor mínimo se obtiene
al 100 %. Con estos resultados se puede concluir que las lámparas caracterizadas están
construidas para optimizar el IRC a su potencia nominal; excepto la lámpara de vapor de
mercurio, debido a que en ésta la cubierta fosforescente no está optimizada respecto al IRC.
La frecuencia de operación no representa un cambio significativo en los valores
obtenidos del IRC en cada una de las lámparas.
4.2.5 Temperatura del color
Las gráficas de la temperatura del color obtenidas en la caracterización realizada se
muestran en la Figura 4.15 a la Figura 4.17.
54
Tesis de maestría
Capítulo 4. Caracterización con control de intensidad luminosa
Figura 4.15: Temperatura del color vs. potencia en lámparas de vapor de sodio.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
55
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 4.16: Temperatura del color vs. potencia en lámparas de halogenuros metálicos.
56
Tesis de maestría
Capítulo 4. Caracterización con control de intensidad luminosa
Figura 4.17: Temparatura del color vs. potencia en una lámpara de vapor de mercurio.
Tabla 4.6: Síntesis de las gráficas de la temperatura del color.
Temperatura del color @ Dimming, Frecuencia
Lámpara
LUCALOX
Dimming
10% al 100%
Vapor de sodio
CERAMALUX
Vapor de sodio
10% al 100%
CDM-TD
Halogenuros
metálicos
35% al 100%
CDM-R
Halogenuros
metálicos
40% al 100%
H39KC
Vapor de
mercurio
10% al 100%
Eumir Deidier Enríquez Douriet
Mínima
Máxima
0 °K
1993 °K
@ 10%, 125 kHz
@ 100%, 60 Hz
1744 °K
1902 °K
@ 10%, 60 Hz
@ 100%, 20 kHz
2790 °K
4511 °K
@ 100%, 125 kHz
@ 35%, 1 kHz
2651 °K
5639 °K
@ 100%, 40 kHz
@ 40%, 60 Hz
3699 °K
4901 °K
@ 60%, 10 kHz
@ 10%, 50 kHz
Tendencia
Incrementar
Incrementar
Disminuir
Disminuir
Disminuir
57
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Las lámparas de vapor de sodio presentan un pequeño aumento en la temperatura del
color al acercarse el control de intensidad luminosa a la potencia nominal (incremento del 8
%), sin embargo, esta variación no representa un cambio en el rango de la temperatura del
color comprendido en la luz cálida.
La temperatura del color en las lámparas de halogenuros metálicos y vapor de mercurio
tiene un comportamiento ascendente al reducirse la potencia nominal de lámpara. El
incremento es considerable al reducir el control de intensidad luminosa (variación del 83 %),
ya que la luz emitida por estas lámparas cambia de cálida a fría en este proceso.
La frecuencia de operación no modifica considerablemente la temperatura del color
cuando se aplica un control de intensidad luminosa.
Conclusiones
La resistencia equivalente promedio en LAID de vapor de sodio no presenta un
comportamiento bien definido. En las lámparas de halogenuros metálicos se observa que a
medida que se reduce el control de intensidad luminosa se incrementa la resistencia de
lámpara y en la de vapor de mercurio la resistencia de lámpara presenta un comportamiento
parabólico.
Las lámparas de vapor de sodio y la de vapor de mercurio muestran un comportamiento
lineal en la resistencia dinámica, mientras que
las de halogenuros metálicos tienen un
comportamiento parabólico.
La eficacia se reduce al disminuir la potencia nominal de la lámpara cuando se le aplica
un control de intensidad luminosa.
El índice de rendimiento de color se incrementa al acercarse el control de intensidad
luminosa a la potencia nominal en las lámparas de vapor de sodio y halogenuros metálicos,
mientras que para la lámpara de vapor de mercurio el IRC tiene un comportamiento
parabólico.
En las lámparas de vapor de sodio, la temperatura del color se reduce cuando se
disminuye la potencia nominal de lámpara, sin embargo, el cambio no es significativo. En
cambio, para las lámparas de halogenuros metálicos y la de vapor de mercurio, la temperatura
del color se incrementa al disminuir la potencia nominal de lámpara y si representa un
cambio considerable.
58
Tesis de maestría
Capítulo 4. Caracterización con control de intensidad luminosa
Tabla 4.7: Resumen del capítulo 4.
Caracterización con control de intensidad luminosa (~10 % – 100 %)
Tendencia
Lámpara
LUCALOX
Vapor de sodio
CERAMALUX
Vapor de sodio
CDM-TD
Halogenuros
CDM-R
Halogenuros
Resistencia
equivalente
promedio
Resistencia
instantánea
Eficacia
Índice de
rendimiento
de color
Temperatura
del color
No hay
Lineal
Incrementar
Incrementar
Incrementar
No hay
Lineal
Incrementar
Incrementar
Incrementar
Disminuir
Parabólica
Incrementar
Incrementar
Incrementar
Disminuir
Parabólica
Incrementar
Incrementar
Disminuir
Parabólica
Lineal
Incrementar
Disminuir
Disminuir
H39KC
Vapor de
mercurio
En el siguiente capítulo se presentan los resultados de las pruebas de estabilidad
aplicadas a las lámparas de alta intensidad de descarga.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
59
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
60
CENIDET
Tesis de maestría
Capítulo 5
Pruebas experimentales de
estabilidad
En este capítulo se presentan los resultados de las pruebas de estabilidad aplicadas a las LAID
alimentadas con formas de onda cuadradas. Estas pruebas fueron realizadas variando el control de
intensidad luminosa, la resistencia estabilizadora y la frecuencia de operación. Como resultado se muestran
las gráficas obtenidas de impedancia normalizada, factor de potencia de la lámpara y factor de cresta de
corriente.
61
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
5.1 Estabilidad en lámparas de descarga
Al graficar los puntos de operación de una lámpara de descarga en el plano de tensión
contra corriente se puede observar claramente que presenta un comportamiento de
resistencia negativa, lo cual ha sido documentado y medido en diversos artículos [13], [14],
[15]. Esta impedancia negativa puede ser modelada por un cero a la derecha del plano
complejo en el dominio de la frecuencia. La interpretación física de este resultado se da
basándose en la ecuación modificada de Francis.
Francis propone una ecuación diferencial lineal de primer orden para describir el
comportamiento del gas de descarga:
dy
= Aω − By ,
dt
(5.1)
donde y es la conductancia de la lámpara, w es la potencia de la lámpara y A, B son constantes
positivas. Estos estados muestran que el cambio en la conductancia de la lámpara es
proporcional a su potencia e inversamente proporcional a su conductancia. En estado estable
se tiene:
AW = BY ó V 2 =
B
,
A
(5.2)
donde son substituidas W = VI y Y = I/V. Si la corriente de la lámpara es de cd, entonces la
solución en estado estable es un punto de operación en cd. Si la corriente de la lámpara es una
onda sinusoidal de alta frecuencia, entonces el punto de operación en estado estable
representa su valor eficaz donde el periodo de conmutación es mucho más pequeño que la
constante de ionización y la conductancia puede ser considerada como constante.
La impedancia en pequeña señal Zl(s) se puede obtener de la ecuación (5.1). Para ello, y
se puede expresar como:
y=
i
,
v
(5.3)
entonces i y v se descomponen en:
i = I + iˆ , v = V + vˆ .
(5.4)
Substituyendo las ecuaciones (5.4), (5.3) y (5.2) dentro de la ecuación (5.1) y aplicando
la transformada de Laplace se obtiene una ecuación para Zl(s):
62
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Zl (s) =
V
s
2
I s + AV ( A2 − 1)
(5.5)
La ecuación (5.5) no muestra ningún cero a la derecha del plano complejo.
Se considera que el cero a la derecha del plano complejo en Zl(s) está relacionado con la
impedancia negativa de la lámpara (basado en el comportamiento de la lámpara al graficar
sus puntos de operación en el plano v-i), pero el voltaje de la lámpara en estado estable (5.2),
V, es constante ó Zl(s)|s=0=0, lo cual significa que la ecuación de Francis no predice una
impedancia negativa. Lo anterior se debe a que la ecuación obtenida de Zl(s) no tiene ningún
cero a la derecha del plano complejo, aunque explica satisfactoriamente el comportamiento de
primer orden de la descarga del gas de la lámpara. De hecho, esta observación también se
puede explicar porque se han hecho diversas modificaciones [14] [16] a la ecuación de Francis
para una mejor simulación en el dominio del tiempo.
De esta forma en [17] se propone un modelo modificado para explicar el
comportamiento de la impedancia negativa:
dy
Ai
=
− By ,
dt G (i )
(5.6)
donde G(i) es una función monótona decreciente. La solución en estado estable es:
V=
B
G(I ) .
A
(5.7)
Esta solución tiene una pendiente negativa a debido a que G’(I)<0. En [18] se propone y
verifica el siguiente modelo de lámpara:
V=
Vmax
− Rs I .
2
(5.8)
El modelo (5.8) es un caso específico de la ecuación (5.6) donde:
G (i ) =
A ⎛ Vmax
⎞
− Rs I ⎟ .
⎜
B⎝ 2
⎠
(5.9)
La impedancia en pequeña señal se obtiene de la ecuación (5.6):
Zl ( s) =
Eumir Deidier Enríquez Douriet
V s + AVIG '( I ) / G 2 ( I )
.
I
s + VA / G ( I )
(5.10)
63
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
En la ecuación (5.10) se encuentra un cero a la derecha del plano complejo que es igual
a –AVIG’(I)/G2(I).
En conclusión, la pendiente negativa presente en la gráfica de tensión contra corriente
de lámpara y la ecuación modificada de Francis generan un cero a la derecha del plano
complejo en la impedancia de pequeña señal Zl(s).
Las funciones de transferencia que tienen polos y/o ceros en el semiplano derecho del
plano complejo s son funciones de transferencia de fase no mínima [19].
Los sistemas de fase no mínima son lentos en su respuesta. La respuesta a una entrada
escalón presenta en sus inicios valores de signo contrario a los de la respuesta de estado
estacionario. Este fenómeno puede llagar a ser muy peligroso en algunos sistemas físicos y
constituye una gran dificultad para su control. En la mayor parte de los sistemas de control, se
debe tener cuidado en evitar un atraso de fase excesivo. En las redes de fase mínima, el
margen de fase negativo significa la inestabilidad del sistema. Al diseñar un sistema, si una
velocidad de respuesta rápida es de vital importancia, no deben usarse componentes de fase
no mínima.
Con el fin de evitar una posible inestabilidad por la existencia de un cero a la derecha
del plano complejo, la impedancia Zl(s) no se puede conectar directamente a una fuente de
tensión Vs(s). Una forma de asegurar la estabilidad de la operación de Zl(s) es colocar un
balastro o una red que tenga una impedancia ZB(s) en serie con ella (Figura 5.1).
Figura 5.1: Red formada por una lámpara y la impedancia que la estabiliza.
64
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
En la Figura 5.2 se muestra un diagrama eléctrico generalizado en el dominio de la
frecuencia para lámparas de descarga alimentadas con balastros electrónicos [17]. Este
diagrama se obtiene al aplicarle el equivalente de Norton al diagrama de la Figura 5.1 con la
finalidad de explicar de una manera más sencilla el análisis de estabilidad.
Figura 5.2: Diagrama eléctrico generalizado en el dominio de la frecuencia para
lámparas alimentadas con balastros electrónicos.
Con base en la figura anterior la corriente de lámpara IL(s) es:
I L ( s ) = I s (s)
1
1 + ZL (s)/ZB (s)
(5.11)
donde:
Is(s)
es una fuente de corriente,
ZL(s)
es la impedancia de la lámpara,
ZB(s)
es la impedancia del balastro electrónico.
Una condición suficiente para asegurar la estabilidad en lámparas de descarga se
establece en [20]. Sin embargo, el análisis detallado de la estabilidad en el sistema formado
por el balastro y la LAID se muestra en [21]. La condición necesaria y suficiente para que el
sistema que forman la fuente de alimentación, la impedancia del balastro y la impedancia de
la lámpara no presente inestabilidad es que 1+ZL(s)/ZB(s) no contenga ningún cero a la
derecha del plano complejo, lo cual de acuerdo al criterio de Nyquist es equivalente a graficar
el diagrama de Nyquist de ZL(s)/ZB(s) y que no se encuentre circunscrito en el punto (-1, 0).
Lo anterior significa que:
Eumir Deidier Enríquez Douriet
65
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Z L (s)
≺1
Z B (s)
(5.12)
Sin embargo, la condición (5.12) no ha sido probada experimentalmente en lámparas de
alta intensidad de descarga alimentadas con formas de onda cuadradas.
La aplicación de ondas cuadradas en la alimentación de lámparas de alta intensidad de
descarga es una actividad que está en creciente desarrollo. El diseño de balastros electrónicos
que operan a lámparas con formas de onda cuadradas en lazo abierto (sin aplicarle ningún
tipo de control) requiere conocer las regiones estables de operación de las lámparas. Con esta
información se puede implementar una red de impedancia adecuada para el tipo de operación
deseado. Como se ha explicado en el capítulo 4, el control de intensidad luminosa es una
característica deseable en los balastros electrónicos para LAID, por lo que es necesario
realizar una caracterización de la condición necesaria para la estabilidad ante variaciones en
la intensidad luminosa de las lámparas. La frecuencia de operación varía las características
eléctricas de la lámpara, por lo que puede tener un efecto sobre la estabilidad de la misma y es
por esto que se realiza la caracterización a dos diferentes frecuencias: 400 Hz y 50 kHz.
5.2 Procedimiento de caracterización
Para realizar las pruebas de estabilidad se disminuye o aumenta la resistencia
estabilizadora del banco de pruebas.
El procedimiento de caracterización es simple: se enciende la lámpara con la mayor
resistencia estabilizadora, se comprueba que la lámpara permanece estable y a continuación
se reduce la resistencia. Este proceso se repite hasta que se presenta un comportamiento
inestable o se apaga la lámpara. Además, la caracterización se realiza variando la intensidad
luminosa de las lámparas. En todo momento se mantiene la potencia de prueba ajustando la
alimentación de cd del balastro electrónico.
Las deformaciones que sufren las formas de onda al aplicarles un control de intensidad
luminosa se pueden registrar mediante el factor de potencia de la lámpara y el factor de cresta
de la corriente.
El factor de potencia de lámpara se obtiene del cociente de la potencia activa entre la
potencia aparente (5.13). Este dato nos informa acerca de las diferencias entre la forma de
66
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
onda de tensión y la forma de onda de corriente. Si el factor de potencia de la lámpara es
unitario no existe diferencia entre las formas de onda de tensión y corriente.
F . P. =
Ppromedio
(5.13)
Paparente
El factor de cresta de corriente es unitario cuando el valor eficaz de corriente es igual al
valor máximo de la misma (5.14). Nos indica la relación entre el valor máximo y el valor eficaz
de corriente en la lámpara, este parámetro es muy importante pues afecta a la vida útil de la
lámpara, a mayor factor de cresta menor vida útil. Sin embargo, vale la pena resaltar que la
aplicación de formas de onda cuadradas proporcionará, bajo cualquier condición y con un
mismo ciclo de trabajo, factores de cresta cercanos a la unidad y más bajos que la aplicación
de formas de onda sinusoidales.
F .C. =
I max
I eficaz
(5.14)
Tabla 5.1: Procedimiento de las pruebas de estabilidad.
Pruebas de estabilidad
Condiciones de
operación
a) Maduración previa
de la lámpara
durante 200 horas.
b) Potencia de la
lámpara constante
en su valor
nominal de
prueba.
c) Potencia de
lámpara: 10
valores entre el
máximo y mínimo
rango.
d) Frecuencia de
operación: 60 Hz y
125 kHz.
Procedimiento de medición
1) Encender la lámpara a 130 kHz
2) Ajustar frecuencia de operación a 400 Hz
Gráficas obtenidas
ƒ Impedancia
normalizada vs. CIL
3) Desconectar ignitor
ƒ Factor de potencia
vs. CIL
4) Ajustar frecuencia de operación para la
prueba
ƒ Factor de cresta vs.
CIL
5) Ajustar potencia de la lámpara para la prueba
6) Ajustar Rs al valor máximo
7) Observar presencia de resonancias acústicas
8) Medir la impedancia normalizada, factor de
potencia y factor de cresta
9) Reducir Rs y repetir los pasos 7 y 8 hasta que
la lámpara se apague o presente inestabilidad
10)
Reducir la potencia de la lámpara y
repetir los pasos 6 a 9
11)
Ajustar la frecuencia de operación a 50
kHz y repetir los pasos 3 a 10
Eumir Deidier Enríquez Douriet
67
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
5.3 Resultados de caracterización
Las lámparas de alta intensidad de descarga caracterizadas se presentan en la siguiente
tabla:
Tabla 5.2: Lámparas caracterizadas con control de intensidad luminosa.
LÁMPARAS DE HALOGENUROS METÁLICOS
CDM70/TD/830 (70 W – Philips)
CDM70/R/PAR38/FL/3K (70 W – Philips)
LÁMPARAS DE VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN
LUCALOX LU70/52 (70 W – General Electric)
CERAMALUX C100S54/ALTO (100 W – Philips)
LÁMPARAS DE VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN
H39KC 175/DX (175 W – Philips)
La impedancia normalizada se calcula como el cociente entre la resistencia de lámpara y
la resistencia estabilizadora (RL/Rs).
Las pruebas de estabilidad se realizaron a dos diferentes frecuencias para observar el
efecto de este parámetro. En las gráficas de presentación de resultados se comparan los
resultados a las dos frecuencias manteniendo una misma escala.
En cada una de las lámparas se consigue un determinado CIL que depende
directamente de la resistencia estabilizadora, como se explicó anteriormente en el capítulo 4.
5.3.1 Lámpara de vapor de sodio LUCALOX – LU70
Las pruebas de estabilidad para la lámpara LU70 se realizaron iniciando con una
resistencia estabilizadora de 175 Ω (puesto que esta lámpara tiene una impedancia máxima de
77 Ω), la cual se fue disminuyendo hasta que la lámpara tuviera un comportamiento inestable
o se apagara, estas pruebas se realizaron a varias potencias. A continuación se presentan las
gráficas del comportamiento de la lámpara de vapor de sodio LU70 ante estas pruebas.
68
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.3: Impedancia normalizada vs. porcentaje de CIL en LU70.
El valor máximo en la Tabla 5.3 indica la impedancia normalizada máxima con la cual
se pudo estabilizar la lámpara.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
69
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.3: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en LU70.
Impedancia normalizada (RL/Rs) @ CIL
Lámpara
CIL
LUCALOX
10% al
Vapor de sodio
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
0.44 @ 100%
0.49 @ 10%
+ 11.3%
Máximo
1.54 @ 30%
1.99 @ 30%
+ 29.2%
De acuerdo al criterio de estabilidad, la impedancia normalizada debería ser menor a 1.
Sin embargo, experimentalmente una lámpara de vapor de sodio de 70 W permanece estable
si se mantiene una relación de impedancia normalizada cercana al 1.5 cuando se opera a 400
Hz, mientras que será de cercana a 2 cuando se realiza a 50 kHz.
La zona de estabilidad a los 50 kHz es mayor en un 29 % a la mostrada a los 400 Hz,
como se puede observar en la Figura 5.3.
70
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.4: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en LU70.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
71
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.4: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en LU70.
Factor de potencia @ CIL
Lámpara
CIL
LUCALOX
10% al
Vapor de sodio
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
0.974 @ 10%
0.963 @ 10%
- 1.1%
Máximo
0.999 @ 100%
0.998 @ 30%
∼ 0%
El factor de potencia de lámpara se altera a medida que se reduce el CIL o se disminuye
la resistencia estabilizadora (Figura 5.4), pues al incrementar la frecuencia baja más el
factor de potencia.
72
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.5: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en LU70.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
73
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.5: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en LU70.
Factor de cresta de corriente @ CIL
Lámpara
CIL
LUCALOX
10% al
Vapor de sodio
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
1.00 @ 80%
1.048 @ 100%
+ 4.8%
Máximo
1.071 @ 10%
1.096 @ 30%
+ 2.3%
Existe un mayor factor de cresta de corriente cuando se opera la lámpara a 50 kHz que a
una operación a 400 Hz. A 400 Hz la lámpara mantiene un factor de cresta cercano a la
unidad. Como se observa en la Figura 5.5, al variar la resistencia estabilizadora cambia
ligeramente el factor de cresta, más no es significativo.
5.3.2 Lámpara de vapor de sodio CERAMALUX – C100S54
Para las pruebas de estabilidad de la lámpara de vapor de sodio C100S54 se colocó la
resistencia estabilizadora de 100 Ω, debido a que la impedancia máxima de la lámpara es
cercana a 40 Ω.
Se presentan a continuación las gráficas que muestran los resultados de las pruebas de
estabilidad aplicadas a la lámpara de vapor de sodio C100S54.
74
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.6: Impedancia normalizada vs. porcentaje de CIL en C100S54.
El valor máximo en la Tabla 5.6 indica la impedancia normalizada máxima con la cual
se pudo estabilizar la lámpara.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
75
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.6: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en C100S54.
Impedancia normalizada (RL/Rs) @ CIL
Lámpara
CIL
CERAMALUX
10% al
Vapor de sodio
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
0.25 @ 100%
0.25 @ 100%
0%
Máximo
2.27 @ 30%
2.34 @ 30%
+ 3%
En esta lámpara no se pudo determinar una zona de estabilidad, debido a que a la
menor resistencia estabilizadora del banco de pruebas (15 Ω) aún no se presentó inestabilidad
en la lámpara.
Como puede observarse en la Figura 5.6, la impedancia normalizada presenta valores
hasta por encima de de 2, lo cual significa que esta lámpara puede estabilizarse con
impedancias 2 veces menores a la impedancia de la lámpara para ambas frecuencias de
operación.
Un punto importante que se debe destacar es que la lámpara presenta inestabilidades
momentáneas al cambiar bruscamente la resistencia estabilizadora.
76
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.7: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en C100S54.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
77
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.7: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en C100S54.
Factor de potencia @ CIL
Lámpara
CIL
CERAMALUX
10% al
Vapor de sodio
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
0.981 @ 10%
0.979 @ 10%
- 0.2%
Máximo
1 @ 100%
0.994 @ 100%
- 0.6%
La frecuencia de operación en la lámpara de vapor de sodio C100S54 no afecta de gran
manera al factor de potencia (Figura 5.7). Al disminuir el CIL o reducir la resistencia
estabilizadora el factor de potencia se altera insignificantemente.
78
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.8: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en C100S54.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
79
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.8: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en C100S54.
Factor de cresta de corriente @ CIL
Lámpara
CIL
CERAMALUX
10% al
Vapor de sodio
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
1.003 @ 10%
1.063 @ 10%
+ 5.6%
Máximo
1.046 @ 50%
1.156 @ 50%
+ 9.5%
El factor de cresta de corriente a dos diferentes frecuencias de operación puede
observarse en la Figura 5.8. No existe una variación considerable del factor de cresta
cuando se opera a 400 Hz y se le realiza CIL a la lámpara. En cambio, cuando se opera la
lámpara a una frecuencia de 50 kHz el factor de potencia se encuentra alrededor de los 1.1
para cualquier porcentaje de CIL.
5.3.3 Lámpara de halogenuros metálicos CDM-TD 70 W
La lámpara de halogenuros metálicos CDM-TD de 70W tiene una impedancia alta a
potencia nominal, cercana a 95 Ω, que va aumentando conforme se disminuye la potencia
hasta llegar a 300 Ω. Sin embargo, el banco resistivo tiene como máximo de impedancia 164
Ω, por lo que a partir de ese valor se iniciaron las pruebas de estabilidad.
Esta lámpara no presenta ninguna muestra de inestabilidad cuando se va disminuyendo
la resistencia estabilizadora, simplemente se apaga al llegar a un determinado valor resistivo.
80
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.9: Impedancia normalizada vs. porcentaje de CIL en CDM-TD.
El valor máximo en la Tabla 5.9 indica la impedancia normalizada máxima con la cual
se pudo estabilizar la lámpara.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
81
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.9: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en CDM-TD.
Impedancia normalizada (RL/Rs) @ CIL
Lámpara
CIL
CDM-TD
35% al
Halogenuros
metálicos
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
0.57 @ 100%
0.62 @ 100%
+ 8%
Máximo
3.86 @ 85%
4.26 @ 85%
+ 9.4%
La lámpara de halogenuros metálicos CDM-TD presenta una zona de estabilidad
amplia, permitiendo valores de impedancia normalizada alrededor de 4 cuando se encuentra
operando cerca de su potencia nominal.
La zona de estabilidad se reduce en forma escalonada al disminuir el CIL para ambas
frecuencias de operación (Figura 5.9).
Operar esta lámpara con formas de onda cuadradas a 50 kHz asegura un incremento en
la zona de estabilidad del 10.3 % en comparación con la operación a 400 Hz.
82
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.10: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en CDM-TD.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
83
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.10: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en CDM-TD.
Factor de potencia @ CIL
Lámpara
CIL
CDM-TD
35% al
Halogenuros
metálicos
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
0.989 @ 55%
0.984 @ 35%
- 0.5%
Máximo
0.998 @ 100%
0.998 @ 100%
0%
La variación del factor de potencia de lámpara es pequeña al disminuir el porcentaje de
CIL para ambas frecuencias de operación caracterizadas, aunque el factor tiende a disminuir
al alejarse de la potencia nominal. Al reducir la resistencia estabilizadora no se observa
claramente una tendencia de disminución del factor de potencia (Figura 5.10).
84
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.11: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en CDM-TD.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
85
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.11: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en CDM-TD.
Factor de cresta de corriente @ CIL
Lámpara
CIL
CDM-TD
35% al
Halogenuros
metálicos
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
1.00 @ 35%
1.014 @ 35%
+ 1.4%
Máximo
1.066 @ 55%
1.082 @ 55%
+ 1.4%
El factor de cresta de corriente presenta un incremento al reducir el CIL cuando la
lámpara se encuentra operando a 400 Hz. Sin embargo, al llegar a un 35 % de su potencia
nominal existe una disminución en el factor de cresta.
La operación a 50 kHz no afecta de gran manera el factor de cresta de corriente, ya que
este se mantiene cercano a la unidad cuando se le aplica CIL a la lámpara o disminución en la
resistencia estabilizadora.
5.3.4 Lámpara de halogenuros metálicos CDM-R 70 W
Esta lámpara presenta una impedancia cercana a 118 Ω para la potencia nominal, que se
va incrementando al aplicarle un CIL. En el banco resistivo se colocó una resistencia máxima
de 164 Ω y a partir de ese valor se realizaron las pruebas de estabilidad.
A continuación se presentan las gráficas obtenidas de las pruebas de estabilidad
aplicadas a la lámpara de halogenuros metálicos CDM-R con variación en su potencia
nominal.
86
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.12: Impedancia normalizada vs. porcentaje de CIL en CDM-R.
El valor máximo en la Tabla 5.12 indica la impedancia normalizada máxima con la cual
se pudo estabilizar la lámpara.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
87
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.12: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en CDM-R.
Impedancia normalizada (RL/Rs) @ CIL
Lámpara
CIL
CDM-R
40% al
Halogenuros
metálicos
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
0.76 @ 100%
0.89 @ 100%
+ 14.6%
Máximo
4.56 @ 55%
4.72 @ 55%
+ 3.4%
La lámpara CDM-R presenta una zona de estabilidad considerable, al igual que la otra
lámpara de halogenuros metálicos caracterizada, con un valor de impedancia normalizada por
arriba de 4 (Figura 5.12).
La zona de estabilidad presenta un escalón cuando la lámpara se encuentra en un CIL
por debajo del 55 % de su potencia nominal sin importar la frecuencia de operación.
Incrementar la frecuencia de operación en esta lámpara de 400 Hz a 50 kHz representa
un aumento mínimo en la zona de estabilidad alrededor del 3.4 %.
88
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.13: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en CDM-R.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
89
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.13: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en CDM-R.
Factor de potencia @ CIL
Lámpara
CIL
CDM-R
40% al
Halogenuros
metálicos
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
0.985 @ 40%
0.978 @ 55%
- 0.7%
Máximo
1 @ 100%
1.002 @ 100%
∼ 0%
El factor de potencia de lámpara se aleja del valor unitario al reducir el control de
intensidad luminosa en ambas frecuencias de operación (Figura 5.13). El variar la
frecuencia de operación de esta lámpara o la resistencia estabilizadora no representa un
cambio considerable en el factor de potencia.
90
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.14: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en CDM-R.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
91
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.14: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en CDM-R.
Factor de cresta de corriente @ CIL
Lámpara
CIL
CDM-R
40% al
Halogenuros
metálicos
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
1.00 @ 100%
1.032 @ 70%
+ 3.2%
Máximo
1.34 @ 55%
1.138 @ 40%
- 17.7%
El factor de cresta de corriente no cambia de manera significativa al aplicarle un CIL a
la lámpara y se encuentra cercano a la unidad, excepto cuando se opera la lámpara a 400 Hz,
100 Ω de resistencia estabilizadora y con el 55 % del CIL. Solo en este punto se presentó una
factor por arriba del 1.3.
5.3.5 Lámpara de vapor de mercurio H39KC 175 W
Se decidió colocar una resistencia estabilizadora máxima de 140 Ω, debido a que la
resistencia de la lámpara a potencia nominal es cercana a 90 Ω. A partir de ese valor se
iniciaron las pruebas de estabilidad.
92
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.15: Impedancia normalizada vs. porcentaje de CIL en H39KC.
El valor máximo en la Tabla 5.15 indica la impedancia normalizada máxima con la cual
se pudo estabilizar la lámpara.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
93
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.15: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en H39KC.
Impedancia normalizada (RL/Rs) @ CIL
Lámpara
CIL
H39KC
10% al
Vapor de
mercurio
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
0.6 @ 10%
0.65 @ 10%
+ 8.3%
Máximo
1.89 @ 30%
1.95 @ 30%
+ 3.1%
La zona de estabilidad de esta lámpara tiene una forma parabólica (Figura 5.15), ya
que al reducir la potencia nominal se incrementa esta zona y a valores menores al 30 % de CIL
la zona vuelve a reducirse.
Esta lámpara de vapor de mercurio se estabiliza con un valor de impedancia
normalizada de alrededor de 1.5 cuando se opera a una frecuencia de 400 Hz y se encuentra
en el rango comprendido entre el 80 % y el 30 % de CIL, en cambio cuando se encuentra
operando a 50 kHz se incrementa el valor de la impedancia normalizada a cerca de 2.
Incrementar la frecuencia de operación de 400 Hz a 50 kHz representa un aumento del
3.1 % de la zona de estabilidad en este tipo de LAID.
94
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.16: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en H39KC.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
95
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.16: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en H39KC.
Factor de potencia @ CIL
Lámpara
CIL
H39KC
10% al
Vapor de
mercurio
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
0.99 @ 10%
0.985 @ 30 %
- 0.5%
Máximo
1.002 @ 80%
1.001 @ 80%
∼ 0%
Las gráficas de la Figura 5.16 muestran que el factor de potencia de la lámpara no
varía de forma considerable al aplicar un control de intensidad o cambiar la resistencia
estabilizadora, para cualquiera de las frecuencias de operación.
96
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
Figura 5.17: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en H39KC.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
97
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Tabla 5.17: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en H39KC.
Factor de cresta de corriente @ CIL
Lámpara
CIL
H39KC
10% al
Vapor de
mercurio
100%
Valor
400 Hz
50 kHz
Diferencia
Mínimo
1.00 @ 30%
1.038 @ 10 %
+ 3.8%
Máximo
1.027 @ 80%
1.094 @ 80%
+ 6.5%
El factor de cresta de corriente es muy cercano a la unidad cuando se opera la lámpara a
400 Hz y en todo el rango de variación del CIL. La lámpara operando a 50 kHz muestra un
factor de cresta ligeramente mayor a la unidad al aplicar un control de intensidad luminosa.
Conclusiones
El CIL mínimo conseguido en cada una de las lámparas caracterizadas depende
directamente de la resistencia estabilizadora. Se puede concluir que con una resistencia
estabilizadora suficientemente mayor a la resistencia de la lámpara se podrían obtener niveles
de CIL del 1 %.
En la Tabla 5.18 se puede observar el resumen de este capítulo.
Tabla 5.18: Resumen del capítulo 5.
Lámpara
LUCALOX
CERAMALUX
CDM-TD
CDM-R
H39KC
Vapor de
sodio
Vapor de
sodio
Halogenuros
metálicos
Halogenuros
metálicos
Vapor de
mercurio
77.7 Ω
24.6 Ω
93.2 Ω
124.4 Ω
91.4 Ω
RL(max)
153.4 Ω
35.1 Ω
336 Ω
362 Ω
129.4 Ω
@ CIL
@ 30%
@ 30%
@ 35%
@ 40%
@ 30%
RS(min)
53 Ω
15 Ω
27 Ω
51 Ω
64 Ω
@ CIL
@ 80%
@ 100%
@ 85%
@ 55%
@ 30%
Parámetro
RL
@ Pnominal
Parámetro
98
Lámpara
Tesis de maestría
Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad
LUCALOX
CERAMALUX
CDM-TD
CDM-R
H39KC
Vapor de
sodio
Vapor de
sodio
Halogenuros
metálicos
Halogenuros
metálicos
Vapor de
mercurio
400Hz
50kHz
400Hz
50kHz
400Hz
50kHz
400Hz
50kHz
400Hz
50kHz
1.54
1.99
2.27
2.34
3.86
4.26
4.56
4.72
1.89
1.95
@ 30%
@ 30%
@ 30%
@ 30%
@ 85%
@ 85%
@ 55%
@ 55%
@ 30%
@ 30%
.999
.998
1
.994
.998
.998
1
1
1
1
@100%
@ 100%
@100%
@ 100%
@100%
@ 100%
@100%
@100%
@ 80%
@ 80%
.974
.963
.981
.979
.989
.984
.985
.978
.99
.985
@ 10%
@ 10%
@ 10%
@ 10%
@ 55%
@ 35%
@ 40%
@ 55%
@ 10%
@ 10%
1.07
1.09
1.04
1.15
1.06
1.08
1.34
1.14
1.02
1.09
@ 10%
@ 30%
@50%
@ 50%
@ 55%
@ 55%
@ 55%
@ 40%
@ 80%
@ 80%
1
1.04
1
1.06
1
1.05
1
1.03
1
1.03
@ 80%
@ 100%
@ 10%
@ 10%
@ 35%
@ 35%
@ 55%
@ 70%
@ 30%
@ 10%
(RL/RS)max
@ CIL
Max
Factor de
potencia
Min
Max
Factor de
cresta
Min
Diferencia de
zona de
estabilidad
entre 400Hz y
50kHz
+ 29%
No se
determinó
+ 10.3%
+ 3.4%
+ 3.1 %
Cada una de las LAID caracterizadas tiene su propia zona de estabilidad. Esta zona de
estabilidad se reduce al disminuir el CIL (Figura 5.18) y se incrementa al aumentar la
frecuencia de operación, esto último se pudo comprobar al incrementar la frecuencia de 400
Hz a 50 kHz, excepto en la lámpara C100S54 debido a que no se pudo determinar su zona de
estabilidad.
En general, el factor de potencia de cada una de las lámparas es cercano a la unidad y,
además, no sufre cambios significativos ante variaciones en el control de intensidad luminosa,
resistencia estabilizadora o frecuencia de operación. Con relación al factor de cresta de
corriente, se puede observar que es muy cercano a la unidad en todas las lámparas
caracterizadas excepto en la lámpara CDM-R, debido a que en ésta se presenta un factor de
cresta de corriente de 1.34 al 55 % del CIL.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
99
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 5.18: Comportamiento de la zona de estabilidad en LAID.
En el capitulo siguiente se realizará una comparación de resultados entre los datos
obtenidos de la alimentación de LAID con formas de onda cuadradas y con formas de onda
sinusoidales.
100
Tesis de maestría
Capítulo 6
Análisis comparativo de resultados
de caracterización con CIL
En el presente capítulo se presenta una comparación de los resultados obtenidos al aplicar un control
de intensidad luminosa a lámparas de alta intensidad de descarga alimentadas con formas de onda
cuadradas y formas de onda sinusoidales.
101
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
6.1 Comparación entre formas de onda cuadradas y sinusoidales
En [22] se realizó una caracterización de lámparas de alta intensidad de descarga
alimentadas con formas de onda sinusoidales. Tomando como base estos resultados se realiza
una comparación con la caracterización de LAID alimentadas con formas de onda cuadradas
obtenidas previamente en el capítulo 4.
Cuando se caracterizaron las LAID alimentadas con formas de onda sinusoidales se
eligió una frecuencia de operación en la cual no se presentara el fenómeno de resonancias
acústicas.
La frecuencia de operación no representa una variación significativa en las
características fotométricas o eléctricas en las lámparas de alta intensidad de descarga
alimentadas con formas de onda cuadradas, como se ha comprobado en el capítulo 3. Por esta
razón y para acentuar el buen funcionamiento de las lámparas cuando son operadas a baja
frecuencia, la comparación entre ondas sinusoidales y cuadradas se hizo con formas de onda
cuadradas operadas a una frecuencia de 400 Hz, Por otro lado, el manejo de la lámpara con
ondas cuadradas resulta más conveniente a frecuencias bajas, ya que se tiene menos pérdidas
en las conmutaciones y el efecto del tiempo muerto es mínimo.
6.1.1 Lámpara de vapor de sodio LUCALOX - LU70 (70 W)
A continuación se muestran las gráficas correspondientes a la comparación realizada.
Figura 6.1: Potencia vs. corriente en la lámpara LUCALOX - LU70.
102
Tesis de maestría
Capítulo 6. Análisis comparativo de resultados de caracterización con CIL
Figura 6.2: Tensión vs. corriente en la lámpara LUCALOX - LU70.
Figura 6.3: Factor de potencia vs. CIL en la lámpara LUCALOX - LU70.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
103
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 6.4: Factor de cresta vs. CIL. en la lámpara LUCALOX - LU70.
En la Tabla 6.1 se muestra un resumen de las gráficas obtenidas con la lámpara LU70.
Tabla 6.1: Comparación de datos en la lámpara LUCALOX – LU70.
LUCALOX – LU70
Formas de onda sinusoidales
Formas de onda cuadradas
Potencia vs.
corriente
Tendencia lineal
Tendencia lineal en valores de
potencia menores a 60 W
Tensión vs.
corriente
La tensión se incrementa al aumentar
la corriente
La tensión se incrementa al aumentar
la corriente
Comparación
contra FP y
FC unitario
Factor de
potencia
@CIL
Factor de
cresta @CIL
Mín
0.963
@15%
1.53
@42%
Dif.
(%)
-3.7 %
+53 %
Max
0.991
@100%
1.68
@18%
Dif.
(%)
-0.9%
+68 %
Mín
0.985
@10%
1.00
@80%
Dif.
(%)
-1.5 %
0%
Max
0.998
@100%
1.05
@10%
Dif.
(%)
-0.2 %
+5 %
La potencia de la lámpara LU70 se incrementa de una forma lineal con respecto al
aumento de la corriente de lámpara al ser alimentada por formas de onda sinusoidales.
Ocurre el mismo fenómeno con la alimentación con formas de onda cuadradas, sin embargo,
104
Tesis de maestría
Capítulo 6. Análisis comparativo de resultados de caracterización con CIL
se cumple solo para valores menores a los 60 W, ya que al incrementarse la potencia por
arriaba de este valor la corriente ya no sigue aumentando (Figura 6.1).
En la Figura 6.2 puede observarse que la tensión de lámpara se incrementa al crecer
la corriente de lámpara para los dos tipos de formas de onda de alimentación.
El comportamiento del factor de potencia de lámpara al aplicarle control de intensidad
luminosa con formas de onda sinusoidales y cuadradas se muestra en la Figura 6.3 La
tendencia del factor de potencia es de reducirse conforme el CIL disminuye para ambas
formas de onda de alimentación, sin embargo, el factor de potencia conseguido con formas de
onda cuadradas es ligeramente mejor que el obtenido con formas de onda sinusoidales.
El factor de cresta unitario nos indica que la corriente eficaz y la corriente pico son
iguales, esto influye directamente en la vida de la lámpara debido a que al aplicar picos de
corriente a los electrodos de la lámpara estos se desgastan rápidamente. El factor de cresta de
corriente obtenido con formas de onda cuadradas es muy cercano a la unidad y es
notablemente mejor que el conseguido con formas de onda sinusoidales, estas últimas
producen un factor de potencia por arriba del 1.5 (Figura 6.4).
6.1.2 Lámpara de vapor de sodio CERAMALUX – C100S54 (100 W)
Figura 6.5: Potencia vs. corriente en la lámpara CERAMALUX – C100S54.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
105
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 6.6: Tensión vs. corriente en la lámpara CERAMALUX – C100S54.
Figura 6.7: Factor de potencia vs. CIL en la lámpara CERAMALUX – C100S54.
106
Tesis de maestría
Capítulo 6. Análisis comparativo de resultados de caracterización con CIL
Figura 6.8: Factor de cresta vs. CIL. en la lámpara CERAMALUX – C100S54.
En la Tabla 6.2 se muestra un resumen de las gráficas obtenidas con la lámpara de
vapor de sodio C100S54.
Tabla 6.2: Comparación de datos en la lámpara CERAMALUX – C100S54.
CERAMALUX – C100S54
Formas de onda sinusoidales
Formas de onda cuadradas
Potencia vs.
corriente
Tendencia lineal
Tendencia lineal
Tensión vs.
corriente
La tensión se incrementa al aumentar
la corriente
La tensión se incrementa al aumentar
la corriente
Comparación
contra FP y
FC unitario
Factor de
potencia
@CIL
Factor de
cresta @CIL
Mín
0.97
@12%
1.64
@42%
Dif.
(%)
-3.0 %
+64 %
Eumir Deidier Enríquez Douriet
Max
0.994
@70%
1.76
@18%
Dif.
(%)
-0.6%
+76 %
Mín
0.991
@30%
1.01
@80%
Dif.
(%)
-0.9 %
+1 %
Max
1.00
@80%
1.05
@10%
Dif.
(%)
0%
+5 %
107
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
En la Figura 6.5 se muestra que la potencia de la lámpara C100S54 se incrementa de
una forma lineal con respecto al aumento de la corriente de lámpara al ser alimentada con
formas de onda sinusoidales y cuadradas.
La tensión de lámpara se incrementa al aumentar la corriente de lámpara para los dos
tipos de formas de onda de alimentación, como puede observarse en la Figura 6.6.
El comportamiento del factor de potencia de lámpara al aplicarle CIL con formas de
onda sinusoidales y cuadradas tiene una tendencia similar en ambos casos, se incrementa al
aumentar el CIL (Figura 6.7). La alimentación con formas de onda cuadradas presenta un
factor de potencia más cercano a la unidad que el obtenido con formas de onda sinusoidales.
En la Figura 6.8 se puede observar que el factor de cresta de corriente obtenido con
formas de onda cuadradas es muy cercano a la unidad, mientras que el conseguido con
formas de onda sinusoidales se encuentra por arriba de 1.6.
6.1.3 Lámpara de halogenuros metálicos CDM-TD (70 W)
Figura 6.9: Potencia vs. corriente en la lámpara CDM-TD.
108
Tesis de maestría
Capítulo 6. Análisis comparativo de resultados de caracterización con CIL
Figura 6.10: Tensión vs. corriente en la lámpara CDM-TD.
Figura 6.11: Factor de potencia vs. CIL en la lámpara CDM-TD.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
109
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 6.12: Factor de cresta vs. CIL. en la lámpara CDM-TD.
En la Tabla 6.3 se muestra un resumen de las gráficas obtenidas con la lámpara de
halogenuros metálicos CDM-TD.
Tabla 6.3: Comparación de datos en la lámpara CDM-TD.
CDM-TD 70 W
Formas de onda sinusoidales
Formas de onda cuadradas
Potencia vs.
corriente
Tendencia lineal
Tendencia lineal
Tensión vs.
corriente
Tendencia parabólica
Tendencia parabólica
Comparación
contra FP y
FC unitario
Factor de
potencia
@CIL
Factor de
cresta @CIL
110
Mín
0.962
@49%
1.59
@45%
Dif.
(%)
-3.8 %
+59 %
Max
0.993
@78%
1.67
@54%
Dif.
(%)
-0.7%
+67 %
Mín
0.992
@35%
1
@35%
Dif.
(%)
-0.8 %
0%
Max
0.997
@100%
1.05
@55%
Dif.
(%)
-0.3 %
+5 %
Tesis de maestría
Capítulo 6. Análisis comparativo de resultados de caracterización con CIL
Se puede observar en la gráfica de la Figura 6.9 que la potencia de la lámpara de
halogenuros metálicos CDM-TD se incrementa linealmente con respecto al aumento de la
corriente de lámpara al ser alimentada con formas de onda sinusoidales y cuadradas.
La evolución de la tensión de lámpara con ambas formas de onda (sinusoidales y
cuadradas) tiene la misma tendencia parabólica. La tensión disminuye conforme aumenta la
corriente de lámpara, este comportamiento permanece hasta un valor cercano al 70% de CIL,
a partir de este punto la tensión comienza a incrementarse de nuevo. Existe una mayor
reducción en la tensión de lámpara con formas de onda sinusoidales (Figura 6.10).
El factor de potencia de lámpara al aplicarle CIL con formas de onda sinusoidales tiene
un comportamiento oscilante que se normaliza después de un CIL del 70 %. Por otra parte, el
factor de potencia presente en la alimentación con formas de onda cuadradas no tiene
perturbaciones considerables y se mantiene cerca de la unidad en todo el rango de CIL
(Figura 6.11).
En la Figura 6.12 se puede observar que el factor de cresta de corriente obtenido con
formas de onda cuadradas es claramente mejor que el conseguido con formas de onda
sinusoidales. En el primer caso el factor de cresta es muy cercano a la unidad, mientras que en
el segundo se encuentra por arriba de 1.6.
6.1.4 Lámpara de halogenuros metálicos CDM-R (70 W)
Figura 6.13: Potencia vs. corriente en la lámpara CDM-R.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
111
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 6.14: Tensión vs. corriente en la lámpara CDM-R.
Figura 6.15: Factor de potencia vs. CIL en la lámpara CDM-R.
112
Tesis de maestría
Capítulo 6. Análisis comparativo de resultados de caracterización con CIL
Figura 6.16: Factor de cresta vs. CIL. en la lámpara CDM-R.
En la Tabla 6.4 se muestra un resumen de las gráficas obtenidas con la lámpara de
halogenuros metálicos CDM-R.
Tabla 6.4: Comparación de datos en la lámpara CDM-R.
CDM-R 70 W
Formas de onda sinusoidales
Formas de onda cuadradas
Potencia vs.
corriente
Tendencia lineal
Tendencia lineal
Tensión vs.
corriente
Tendencia parabólica
Tendencia parabólica
Comparación
contra FP y
FC unitario
Factor de
potencia
@CIL
Factor de
cresta @CIL
Mín
0.982
@32%
1.15
@32%
Dif.
(%)
-1.8 %
+15 %
Eumir Deidier Enríquez Douriet
Max
0.997
@81%
1.62
@108%
Dif.
(%)
-0.3%
+62 %
Mín
0.991
@40%
1.00
@100%
Dif.
(%)
-0.9 %
0%
Max
1.0
@100%
1.03
@40%
Dif.
(%)
0%
+3 %
113
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
En la Figura 6.13 se muestra que al incrementar la potencia de la lámpara también
aumenta la corriente de la lámpara para ambas formas de onda de alimentación. Este
incremento tiene una tendencia lineal.
Con ambas formas de onda (sinusoidales y cuadradas) se observa que la tensión de la
lámpara tiene un comportamiento parabólico conforme se incrementa la corriente de la
lámpara. La tensión disminuye conforme aumenta la corriente de lámpara, este
comportamiento permanece hasta un valor cercano al 60% de CIL, a partir de este punto la
tensión comienza a incrementarse de nuevo. A diferencia de la lámpara CDM-TD, en la
lámpara CDM-R se presenta una menor tensión de lámpara cuando se alimenta con formas
de onda cuadradas (Figura 6.14).
El factor de potencia de lámpara con formas de onda sinusoidales y cuadradas tiene un
comportamiento similar, este se incrementa al acercarse el CIL al 100 %. Sin embargo, el
factor de potencia en la alimentación con formas de onda cuadradas es mejor (Figura 6.15).
Como se puede observar en la Figura 6.16 el factor de cresta de corriente con formas
de onda sinusoidales se incrementa al aumentar el CIL hasta valores por arriba de los 1.6. Lo
contrario sucede con las formas de onda cuadradas, con estas el factor de cresta se reduce al
aumentar el CIL, pero siempre se mantiene cerca de la unidad.
6.1.5 Lámparas de vapor de mercurio H38JA (100W) y H39KC (175W)
a)Formas de onda sinusoidales (22 kHz)
b)Formas de onda cuadradas (400 Hz)
Figura 6.17: Potencia vs. corriente en las lámparas de vapor de mercurio.
114
Tesis de maestría
Capítulo 6. Análisis comparativo de resultados de caracterización con CIL
a)Formas de onda sinusoidales (22 kHz)
b)Formas de onda cuadradas (400 Hz)
Figura 6.18: Tensión vs. corriente en las lámparas vapor de mercurio.
a)Formas de onda sinusoidales (22 kHz)
b)Formas de onda cuadradas (400 Hz)
Figura 6.19: Factor de potencia vs. CIL en las lámparas vapor de mercurio.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
115
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
a)Formas de onda sinusoidales (22 kHz)
CENIDET
b)Formas de onda cuadradas (400 Hz)
Figura 6.20: Factor de cresta vs. CIL. en las lámparas vapor de mercurio.
En la Tabla 6.5 se muestra un resumen de las gráficas obtenidas con las lámparas de
vapor de mercurio.
Tabla 6.5: Comparación de datos en las lámparas de vapor de mercurio.
H38JA-100W
H39KC-175W
Formas de onda sinusoidales
Formas de onda cuadradas
Potencia vs.
corriente
Tendencia lineal
Tendencia lineal
Tensión vs.
corriente
No existe una tendencia definida
La tensión se incrementa al aumentar
la corriente
Comparación
contra FP y FC
unitario
Factor de
potencia @CIL
Factor de
cresta @CIL
Mín
0.965
@10%
1.53
@100%
Dif.
(%)
-3.5 %
+53 %
Max
0.998
@150%
1.75
@12%
Dif. (%)
Mín
Dif.
(%)
0.991
-0.2%
+75 %
@100
%
1.00
@30%
-0.9 %
0%
Max
1.002
@80%
1.018
@40%
Dif. (%)
+0.2 %
+1.8 %
Como se puede observar en la Figura 6.17, al incrementar la potencia de la lámpara
también aumenta la corriente de la lámpara para ambas formas de onda de alimentación. Este
incremento tiene una tendencia lineal.
116
Tesis de maestría
Capítulo 6. Análisis comparativo de resultados de caracterización con CIL
Cuando se alimenta con formas de onda cuadradas la tensión se incrementa al
aumentar la corriente, sin embargo no es lineal este incremento. El comportamiento de la
tensión contra la corriente en la alimentación con formas de onda sinusoidales no tiene una
tendencia definida (Figura 6.18).
El factor de potencia (Figura 6.19) y el factor de cresta de corriente (Figura 6.20)
tienen un desempeño mejor cuando se opera la lámpara con formas de onda cuadradas, ya
que presenta valores muy cercanos a la unidad en todo el rango de CIL.
Conclusiones
Tabla 6.6: Resumen del capítulo 6.
Potencia
vs.
corriente
Tensión vs.
corriente
Factor de potencia
@CIL
Factor de cresta
@CIL
Ondas cuadradas
Forma de
onda
Cuad
Sin
Tendencia
Tendencia
Lineal
La tensión se
incrementa al
aumentar la
corriente
C100S54
Vapor de
sodio
Sin
Ondas sinusoidales
LU70
Vapor de
sodio
Cuad
Lineal
La tensión se
incrementa al
aumentar la
corriente
CDM-TD
Halogenuros
metálicos
Lineal
Lineal
Max
0.985
0.998
@10%
@100%
0.963
0.991
@15%
@100%
0.991
1.00
@30%
@80%
0.97
0.994
@12%
@70%
0.992
0.997
@35%
@100%
0.962
0.993
@49%
@78%
Dif
1.3%
2.9%
0.9%
0.2%
0.5%
Min
Max
1.00
1.05
@80%
@10%
1.53
1.68
@42%
@18%
1.01
1.05
@80%
@10%
1.64
1.76
@42%
@18%
1.00
1.05
@35%
@55%
1.59
1.67
@45%
@54%
Dif
5%
9.8%
4%
12%
5%
Parabólica
CDM-R
Halogenuros
metálicos
Min
0.991
1.0
@40%
@100%
0.982
0.997
@32%
@81%
3.1%
0.9%
1.00
1.03
@100%
@40%
1.15
1.62
@32%
@108%
8%
3%
Parabólica
Eumir Deidier Enríquez Douriet
1.5%
46%
117
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
H38JA
Vapor de
mercurio
Ondas sinusoidales
Lineal
No tiene
CENIDET
Ondas sinusoidales
0.965
0.998
@10%
@150%
Ondas cuadradas
3.3%
1.53
1.75
@100%
@12%
22%
Ondas cuadradas
H39KC
Vapor de
mercurio
Lineal
La tensión se
incrementa al
aumentar la
corriente
0.991
1.002
@100%
@80%
1.1%
1.00
1.018
@30%
@40%
1.8%
Las gráficas de potencia contra corriente y tensión contra corriente tienen la finalidad
de obtener los modelos matemáticos del comportamiento de las LAID caracterizadas.
En todas las gráficas de potencia contra corriente obtenidas para cada una de las
lámparas existe una tendencia lineal. Con respecto a las gráficas de tensión contra corriente,
se observa que la tensión se incrementa al aumentar la corriente en las lámparas de vapor de
sodio y vapor de mercurio, mientras que en las lámparas de halogenuros metálicos se muestra
una tendencia parabólica.
El factor de potencia y el factor de cresta de corriente que se obtiene al alimentar las
LAID con formas de onda cuadradas son significativamente mejores a los obtenidos con
formas de onda sinusoidales, puesto que en todo el rango de CIL permanecen en valores
cercanos a la unidad.
En el capítulo siguiente se presentan las conclusiones generales de este trabajo de tesis.
118
Tesis de maestría
Capítulo 7
Conclusiones y Trabajos
complementarios
En el presente capítulo se presentan las conclusiones de la caracterización de lámparas de alta
intensidad de descarga alimentadas con formas de onda cuadradas y con variaciones en su frecuencia de
operación, control de intensidad luminosa y pruebas de estabilidad.
119
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
7.1 Conclusiones
En el presente trabajo se desarrolló el diseño y elaboración de un banco de pruebas
robusto para la caracterización de una amplia gama de lámparas de alta intensidad de
descarga. Este balastro consiste en una serie de módulos que encienden y operan la lámpara
en su estado estable alimentándola con formas de onda cuadradas.
El banco de pruebas tiene la ventaja de variar la frecuencia de operación en un rango
comprendido entre los 60 Hz y los 125 kHz, así como también, modificar la resistencia
estabilizadora de la lámpara en un rango entre 15 Ω y 164 Ω. Ambas características del
balastro diseñado sirven para realizar la caracterización de lámparas con variación frecuencia
y aplicar pruebas de estabilidad.
La lámpara bajo prueba se encuentra alimentada desde una fuente de cd variable de
400 V, lo cual brinda la posibilidad de controlar fácilmente la potencia de la lámpara y poder
realizar caracterizaciones con control de intensidad luminosa.
Todas las pruebas realizadas en este trabajo de tesis fueron libres de resonancias
acústicas, lo que demuestra que la alimentación con formas de onda cuadradas es un método
apropiado para evitar este fenómeno no deseado. Es por ello que una conclusión contundente
de este trabajo de investigación es que se puede operar con formas de onda cuadradas
cualquier tipo de LAID a la frecuencia deseada para una aplicación específica.
Las conclusiones obtenidas de la caracterización de lámparas de alta intensidad de
descarga con relación a la variación de frecuencia, de potencia y pruebas experimentales de
estabilidad se presentan a continuación.
7.1.1 Caracterización de LAID con variación de frecuencia
En general, el diseñador de balastros electrónicos puede considerar trabajar a cualquier
frecuencia de operación en el rango comprendido entre los 60 Hz y 125 kHz puesto que la
eficacia, el índice de rendimiento de color y la temperatura del color en las lámparas
caracterizadas no sufren cambios significativos al variar la frecuencia de operación.
En la caracterización con variación de frecuencia se presentó un ligero aumento en la
resistencia de las lámparas, esto se debe a que el incremento en la frecuencia de operación
afecta los tiempos muertos de la forma de onda aplicada y en consecuencia afecta a la
impedancia de la lámpara.
120
Tesis de maestría
Capítulo 7. Conclusiones y Trabajos complementarios
Se consiguieron resultados importantes con la comparación entre los resultados
obtenidos alimentando con forma de ondas cuadradas y los obtenidos con un balastro
electromagnético convencional.
En cuanto a la eficacia, todas las lámparas presentan una mejoría cuando se operan a
frecuencias mayores de 60 Hz con formas de onda cuadradas, excepto la lámpara LUCALOX.
Con relación al índice rendimiento de color las lámparas de vapor de sodio presentan una
mejoría considerable con formas de onda cuadradas, mientras que las demás lámparas no
tienen variaciones significativas. En cuanto a la temperatura del color, se observa en todas las
lámparas una mejoría cuando se operan con formas de onda cuadradas.
7.1.2 Caracterización de LAID con control de intensidad luminosa
Al aplicarle CIL a las lámparas de alta intensidad de descarga se obtuvieron los
resultados de resistencia de lámpara, eficacia, índice de rendimiento de color y temperatura
del color.
La resistencia de lámpara en LAID de vapor de sodio no presenta un comportamiento
bien definido, mientras que en las de halogenuros metálicos se observa que a medida que se
reduce el control de intensidad luminosa se incrementa la resistencia de lámpara y en la de
vapor de mercurio la resistencia de lámpara presenta un comportamiento parabólico.
La resistencia dinámica presenta un comportamiento lineal en las lámparas de vapor de
sodio y la de vapor de mercurio. Por otra parte, las lámparas de halogenuros metálicos tienen
un comportamiento parabólico.
En las lámparas de alta intensidad de descarga caracterizadas la eficacia se reduce al
disminuir la potencia nominal de lámpara cuando se les aplica un control de intensidad
luminosa.
El índice de rendimiento de color se incrementa al acercarse el control de intensidad
luminosa a la potencia nominal en las lámparas de vapor de sodio y halogenuros metálicos,
mientras que para la lámpara de vapor de mercurio el IRC tiene un comportamiento
parabólico.
Lo que respecta a la temperatura del color, en las lámparas de vapor de sodio se reduce
cuando se disminuye la potencia nominal de lámpara, sin embargo, esto no representa una
variación considerable. En cambio, para las lámparas de halogenuros metálicos y la de vapor
de mercurio la temperatura del color se incrementa al disminuir la potencia nominal de
Eumir Deidier Enríquez Douriet
121
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
lámpara y si representa un cambio significativo debido a que cambia la sensación visual que
generan estas lámparas.
7.1.3 Pruebas de estabilidad aplicadas a LAID
La estabilidad en las lámparas de descarga se encuentra determinada por la resistencia
que se encuentra en serie con la resistencia de lámpara. Se colocó una resistencia
estabilizadora mayor a la impedancia de la lámpara y a partir de ahí se fue reduciendo hasta
que se presentara inestabilidad en la lámpara o se apagara.
El CIL mínimo conseguido en cada una de las lámparas caracterizadas depende
directamente de la resistencia estabilizadora. Se puede concluir que con una resistencia
estabilizadora suficientemente mayor a la resistencia de la lámpara se podrían obtener niveles
de CIL del 1 %.
Se pudo determinar que cada una de las LAID caracterizadas tiene su propia zona de
estabilidad. Una conclusión importante que se obtiene de esta prueba es que la zona de
estabilidad se reduce al disminuir el CIL Sin embargo, la zona de estabilidad se incrementa al
aumentar la frecuencia de operación, se comprobó al incrementar la frecuencia de 400 Hz a
50 kHz. En la lámpara C100S54 no se determinó la zona de estabilidad debido a que esta no
presentó inestabilidad a la resistencia estabilizadora mínima.
En general, el factor de potencia y el factor de cresta de corriente permanecen muy
cercanos al valor unitario en cada una de las lámparas caracterizadas y no sufren
modificaciones significativas ante variaciones en el control de intensidad luminosa,
resistencia estabilizadora o frecuencia de operación.
7.1.4 Análisis comparativo de resultados de caracterización con CIL
La importancia que tienen las gráficas de potencia contra corriente y tensión contra
corriente es que con ellas se pueden obtener los modelos matemáticos del comportamiento de
las LAID caracterizadas, con la finalidad de incluirlas en programas computacionales y
conseguir resultados mas exactos en las simulaciones.
En todas las gráficas de potencia contra corriente obtenidas para cada una de las
lámparas existe una tendencia lineal. Con respecto a las gráficas de tensión contra corriente,
se observa que la tensión se incrementa al aumentar la corriente en las lámparas de vapor de
sodio y vapor de mercurio, mientras que en las lámparas de halogenuros metálicos se muestra
una tendencia parabólica.
122
Tesis de maestría
Capítulo 7. Conclusiones y Trabajos complementarios
El factor de potencia y el factor de cresta de corriente que se obtiene al alimentar las
LAID con formas de onda cuadradas son significativamente mejores a los obtenidos con
formas de onda sinusoidales, puesto que en todo el rango de CIL permanecen en valores
cercanos a la unidad.
7.2 Trabajos complementarios
Considerando las conclusiones presentadas se pueden establecer las actividades futuras
que permitirán incrementar los alcances y complementar los datos obtenidos en el desarrollo
del presente trabajo de tesis.
•
Realizar la caracterización de lámparas de distintas potencias y con diferentes
tipos de bulbos. Es importante caracterizar la mayor cantidad de LAID posibles
debido a que actualmente estas se emplean para diversas aplicacionesy se
pueden diseñar balastros adecuados para cada aplicación.
•
Caracterización de las lámparas de alta intensidad de descarga presentadas en
este trabajo de tesis alimentadas con formas de onda sinusoidales y ante
variaciones en la frecuencia de operación, control de intensidad luminosa y
pruebas de estabilidad. Con esta actividad se podría realizar una comparación de
todos los parámetros fotométricos de las lámparas alimentadas con este tipo de
forma de onda con los resultados obtenidos en la presente investigación.
•
Realizar un análisis de los resultados obtenidos en la caracterización de LAID
con formas de onda cuadradas y con ello obtener los modelos matemáticos de
las mismas. Se podrían proponer modelos cercanos a la operación normal de
cada lámpara para programas de simulación de circuitos electrónicos como
Pspice o SIMULINK
•
Aplicar la metodología de medición expuesta en este trabajo de tesis para la
caracterización de LAID alimentadas con formas de onda cuadradas con
variaciones en la temperatura ambiental de operación y midiendo las
variaciones de temperatura del vidrio de la lámpara. Se ha comprobado que la
temperatura afecta las características eléctricas de las lámparas, por lo que sería
interesante determinar si una variación de temperatura genera resonancias
acústicas o modifica las características fotométricas de las lámparas.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
123
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
7.3 Otros logros
Se aceptaron dos artículos para su presentación en el congreso de la Sociedad de
Aplicaciones Industriales (IAS por sus siglas en inglés) del 2005 con sede en Hong Kong:
a) “HID Lamps Fed with Square-Waveforms Dimming and Frequency Effects on
Stability, Current-Crest-Factor and Power-Factor”, IAS’05
b) “Experimental Evaluation of Dimming and Frequency on the Behavior of HID Lamps
Fed with Square Waveforms”, IAS’05
Fueron aceptados tres artículos en el Congreso Interuniversitario de Electrónica,
Computación y Eléctrica (CIECE) del 2005 con sede en Puebla:
a) “Efectos de la Frecuencia en Lámparas de Alta Intensidad de Descarga Alimentadas
con Formas de Onda Cuadradas”, CIECE’05
b) “Efectos del Control de Intensidad Luminosa en Lámparas de Alta Intensidad de
Descarga Alimentadas con Formas de Onda Cuadradas”, CIECE’05
c) “Pruebas de Estabilidad Aplicadas a Lámparas de Alta Intensidad de Descarga
Alimentadas con Formas de Onda Cuadradas”, CIECE’05
7.4 Resumen
Con base en los resultados obtenidos se puede concluir que la alimentación con formas
de onda cuadradas es la mejor opción para operar lámparas de alta intensidad de descarga.
Con este tipo de alimentación no se presenta el fenómeno de resonancias acústicas en LAID y
muestran mejorías en relación a la eficacia, índice de rendimiento de color y temperatura del
color. Para obtener estos beneficios no es necesario operar la lámpara a altas frecuencias, con
400 Hz se consiguen buenos resultados. Solo en aplicaciones donde se requiera emplear
control de intensidad luminosa se recomienda una frecuencia de operación superior a 50 kHz
ya que la lámpara permanece más estable que a frecuencias inferiores.
124
Tesis de maestría
Anexo 1
Lámparas de descarga
En este anexo se presenta el panorama actual de las lámparas de alta intensidad de descarga
(LAID), su clasificación y se explican algunas de las características de operación de las LAID.
127
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
An. 1.1 Lámparas de descarga
El desarrollo de las fuentes de luz está encaminado a mejorar las características de
rendimiento, temperatura de color y eficacia, además de esto, también se desea que se
mantengan estas características durante la mayor parte de su vida útil.
Debido a su gran proliferación y a que han ganando aceptación en un gran número de
aplicaciones, la utilización de lámparas de descarga es muy común en nuestros días. La
tendencia en el desarrollo de estos sistemas de iluminación no solo consiste en el ahorro de
energía y la reducción de costos eléctricos, sino también está encaminada a proporcionar una
mayor satisfacción al usuario.
Las lámparas de descarga producen luz aplicando una descarga eléctrica dentro de un
gas, por lo que basan su funcionamiento en la electroluminiscencia, aunque también existen
algunas que se basan en el efecto fotoluminiscente para generar luz visible.
De acuerdo a la sociedad de ingenieros en iluminación las lámparas de descarga se
clasifican en dos grandes grupos dependiendo de la presión del gas con que se llena el tubo de
descarga [23]. De esta forma existen las lámparas de descarga de baja presión y las lámparas
de descarga de alta presión. La descarga a baja presión se presenta cuando la presión en el
tubo de descarga es menor a 1 Pa; mientras que en las lámparas de alta presión el proceso de
descarga se realiza a una presión que se incrementa hasta valores superiores a 1.5 x 104 Pa con
el objeto de aumentar la eficacia luminosa. En ambos tipos de descarga el gas con que se
llenan las lámparas puede ser vapor de mercurio, vapor de sodio o halogenuros metálicos. A
continuación se presentan los tipos de lámparas de descarga de alta presión más importantes
así como las características de cada una de ellas [24].
An. 1.1.1 Lámparas de vapor de sodio de alta presión
En este tipo de lámparas el proceso de descarga se realiza a través de sodio vaporizado.
La descarga en sodio produce una radiación electromagnética concentrada en una longitud de
onda aproximada de 588 nm, la cual corresponde a un color amarillo oscuro. Por efecto del
aumento en la presión del gas de llenado estas lámparas pueden manejar potencias mayores a
las lámparas de vapor de sodio de baja presión, presentan una reproducción cromática mejor,
pero aún así, no es muy buena.
Este tipo de lámparas se construye con dos cubiertas, como se observa en la Figura
An.1. La que se encuentra en el interior recibe el nombre de tubo de descarga y está fabricado
en cerámica de óxido de aluminio (alúmina policristalina) que es muy resistente al ataque del
128
Tesis de maestría
Anexo 1
sodio a alta temperatura, tiene un punto de fusión muy elevado así como una excelente
transmisión de luz (mayor al 90%) aún cuando es un material translúcido. El interior de este
tubo se deposita una pequeña cantidad de amalgama de sodio y mercurio, así como un gas
noble, como el xenón, que tiene la función de iniciar la ignición del arco de descarga. La
amalgama de sodio y mercurio se vaporiza parcialmente cuando la lámpara alcanza su
temperatura de operación. El mercurio actúa como un reforzador y permite incrementar
tanto la presión del gas como el voltaje de lámpara a un nivel práctico. El sodio es el que se
encarga de generar la luz visible.
La cubierta exterior se fabrica en vidrio y tiene una forma tubular o, en algunos casos,
en forma de ovoide. Al estar en vació se utiliza para prevenir el ataque químico en las partes
metálicas del tubo de descarga así como para mantener la temperatura del tubo de descarga
aislada de las variaciones en la temperatura ambiente.
Acero
Inoxidable
Material de
sellado
Lámina de
acero-níquel
Sodio +
Mercurio
Alúmina
policristalina
Tungsteno
Tapa de
niobio o
cerámica
Titanio
Níquel
Niobio
Gueter de
Bario-Alumino
Figura An.1: Lámparas de vapor de sodio de alta presión.
Su rendimiento cromático es aproximadamente igual a 50 pero se puede mejorar si se
agregan otros componentes en el gas de llenando, pero repercuten en el aumento del costo.
Con el aumento en la presión del sodio se incrementa su rendimiento de color, pero a la vez se
tiene un efecto negativo en la reducción del tiempo de vida y la eficacia. Requieren de un
elemento para estabilizar el proceso de descarga y, al no tener un electrodo de encendido,
requieren de pulsos de alta tensión para lograr la ionización del xenón y de esta forma iniciar
el arco de descarga.
Alcanzan su máxima intensidad luminosa aproximadamente diez minutos después de
haber sido encendidas. El reencendido de este tipo de lámparas no se logra de manera
inmediata, como en el caso de las lámparas de sodio de baja presión, sino que se puede lograr
Eumir Deidier Enríquez Douriet
129
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
una vez que la lámpara se ha enfriado lo suficiente, lo cual puede ocurrir en un par de
minutos.
An. 1.1.2 Lámparas de vapor de mercurio de alta presión
Dentro del las lámparas de alta intensidad de descarga, las lámparas de vapor de
mercurio a alta presión son las menos eficientes. Se utilizan en iluminación de parques
deportivos e instalaciones acuáticas y se caracterizan por el tono azul en la luz que generan.
Su principio de operación consiste en hacer circular corriente eléctrica a través del
vapor de mercurio. Se caracterizan por tener un electrodo de encendido que tiene como
propósito facilitar el proceso de encendido a baja tensión de línea.
La estructura principal de la lámpara, que se puede observar en la Figura An.2, se
basa en dos cubiertas de vidrio: el tubo de descarga, por lo general fabricado de sílice fundido
con listones de molibdeno sellados en los extremos, los cuales se utilizan como conductores; y
la cubierta exterior, hecha de borosilicato, cuya función es proporcionar una envoltura de
protección contra los cambios en la temperatura ambiente y, al estar cubierta en su parte
interna con fosfuros, actúa como filtro para eliminar ciertas longitudes de onda generadas por
la descarga.
Alambres de
conducción y
soporte
Resistencia de
encendido
Electrodo de
encendido
Electrodos de
operación
Tubo de
descarga
Recubriemiento
interior de
fósforo
Bulbo
exterior
Figura An.2: Lámpara de vapor de mercurio de alta intensidad de descarga.
El tubo de descarga está lleno de vapor de mercurio, al cual se le agrega argón para
iniciar el arco de descarga, debido a que a temperatura ambiente el mercurio se presenta a
presiones muy bajas, una vez que se inicia el proceso de descarga la presión del vapor de
mercurio puede alcanzar valores comprendidos entre 200 y 400 kPa dependiendo de la
130
Tesis de maestría
Anexo 1
cantidad de vapor que se encuentre dentro del tubo de descarga. El tubo exterior está relleno
de un gas inerte (como el nitrógeno) para evitar la oxidación de las partes internas.
El tiempo en que este tipo de lámparas alcanza su intensidad luminosa máxima después
de haber sido encendidas es del orden de cuatro a cinco minutos. El proceso de reencendido
no se logra de manera inmediata ya que es necesario que la presión del mercurio disminuya,
por lo que es necesario esperar algunos minutos para poder encender nuevamente a la
lámpara. Tienen un bajo rendimiento cromático el cual se puede mejorar al incluir una
cubierta de fosfuros en la pared interna de la bombilla.
An. 1.1.3 Lámparas de halogenuros metálicos
Este tipo de lámparas tiene una estructura muy similar a las lámparas de vapor de
mercurio de alta presión (ver Figura An.3) pero con la gran diferencia de que el tubo del
arco de descarga de halogenuros metálicos contiene varios haluros metálicos adicionados al
mercurio con el propósito de mejorar el IRC. Los haluros metálicos que se utilizan con mayor
frecuencia son talio, indio, escandio y disprosio, los cuales pueden mezclarse para obtener los
tipos de combinaciones más utilizados en la fabricación de este tipo de lámparas, los cuales
son: 1) sodio, talio y ioduros de indio, 2) sodio y ioduros de escandio y 3) disprosio y ioduros
de talio. Con la incorporación de estos elementos se puede obtener una mayor eficacia (1.5 a 2
veces), mejor a la obtenida en las lámparas de vapor de mercurio, además de lograr una
mejora considerable en el balance de color de la luz generada.
Figura An.3: Lámparas de halogenuros metálicos.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
131
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Casi todas las variedades disponibles de lámparas de halogenuros metálicos de “luz
blanca” presentan un rendimiento de color que es igual o mayor al que presentan las
lámparas de vapor de mercurio con recubrimiento en la pared interna. También existen
lámparas de halogenuros metálicos con recubrimiento de fósforos en el interior de la cubierta
externa para modificar la temperatura de color, pero de forma particular, para disminuir la
temperatura de color de la lámpara.
Para el encendido de este tipo de lámparas es necesario aplicar pulsos de tensión
comprendidos entre 1.5 y 5 kV. Debido a que este tipo de lámparas opera a temperaturas más
elevadas requieren de hasta 15 minutos para poder enfriarse, por lo que el proceso de
reencendido no se logra de manera inmediata, a menos que se apliquen pulsos de alta tensión
de 35 kV como mínimo para lograrlo.
An. 1.2 Encendido de lámparas de alta intensidad de descarga
El conocimiento del proceso de encendido permite el diseño de circuitos electrónicos
encargados de la operación óptima de las lámparas de descarga. El proceso se resume en dos
rompimientos [25], como se observa en la Figura An.4.
El primero es el rompimiento de corriente. Éste se lleva a cabo por medio de dos
mecanismos: el Townsend y el flámula. El mecanismo Townsend consiste en una avalancha
de electrones iniciada por un solo electrón que libera a otros electrones por dos formas
distintas, bombardeo de iones en el cátodo o por fotones creados entre los electrodos. El
mecanismo flámula se produce cuando se desarrolla un canal de conductividad entre los
electrodos durante una avalancha de electrones, esto porque la tensión de encendido excede
por mucho la tensión mínima necesaria para la ruptura.
El segundo rompimiento es de tensión. Durante el rompimiento la tensión entre los
electrodos es ligeramente mayor que la tensión de rompimiento de corriente.
132
Tesis de maestría
Anexo 1
Figura An.4: Proceso de encendido de una lámpara de descarga.
Cuando los dos rompimientos se han alcanzado es el momento de que se presente una
descarga luminiscente. El tipo de descarga depende de la cantidad de energía alimentada al
cátodo un instante después del rompimiento de tensión, éste proceso se llama transición
luminiscencia-arco. Durante la transición, en la lámpara se observan dos posibles valores de
tensión, estos valores son representativos del tipo de descarga (luminiscente o de arco). Para
sostener la descarga de arco se debe suministrar al cátodo la potencia necesaria, la cual es
determinada por el producto de la caída de tensión en el cátodo y la corriente que fluye por la
lámpara. Por lo tanto, durante el proceso de encendido de la lámpara es necesario aplicar a
los electrodos una tensión elevada para alcanzar el rompimiento y la potencia necesaria con el
fin de lograr la transición luminiscencia-arco.
Del proceso de encendido descrito anteriormente, se pueden obtener las condiciones
necesarias para hacer que una lámpara de alta intensidad de descarga sea encendida.
1.- Aplicación de una tensión elevada para producir el rompimiento de tensión, está
tensión varía según sea el tipo de lámpara y la temperatura del gas dentro del tubo de
descarga. La temperatura tiene una fuerte influencia en el nivel de tensión necesario para
alcanzar el rompimiento. Para generar el proceso de reencendido en una lámpara que tiene
una temperatura elevada será necesario aplicar un nivel de tensión superior al cual se
encendió la luminaria a temperatura ambiente. Este aumento de la tensión necesaria para el
reencendido puede ser de miles de volts (≈35 kV).
2.- Se debe proporcionar la potencia suficiente a la lámpara para llegar a la transición
luminiscencia-arco, es decir, proporcionando la corriente necesaria.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
133
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
An. 1.3 Estabilización de lámparas de alta intensidad de descarga
Al momento en que el circuito electrónico ha suministrado la potencia suficiente para
lograr la transición luminiscencia-arco en la lámpara se presenta un aumento en su flujo
luminoso [26]. En este punto se presenta el fenómeno llamado impedancia negativa, este
fenómeno ocurre en todas las lámparas de descarga. La característica de impedancia negativa
se presenta porque al incrementar la corriente a través de la lámpara también aumentará la
temperatura en el arco de descarga, esto último incrementa la concentración de iones y
electrones libres, lo que hace que el arco sea más conductivo. Esta conductividad en el arco
aumenta lo suficiente como para que la tensión a través de él disminuya conforme la corriente
se incrementa.
Debido a su característica de impedancia negativa, las lámparas deben tener un circuito
que limite la corriente que pasa a través de ellas, de lo contrario la potencia que consumen
crece de forma descontrolada.
Existe un método sencillo de estabilizar la corriente en una lámpara de descarga:
conectar una impedancia en serie con la lámpara [27]. La impedancia que se conecta en serie
para lograr la estabilidad de la corriente puede ser un tanque resonante con diferentes
configuraciones o en el caso de una operación con cd puede ser una resistencia. Sin embargo,
esto involucra pérdidas por conducción en la impedancia, resultando en una disminución en
la eficiencia del sistema.
An. 1.4 Fenómeno de resonancias acústicas
Las resonancias acústicas son una característica intrínseca que ocurre en la mayoría de
las lámparas de descarga, principalmente en las del tipo de alta intensidad de descarga [28].
Las resonancias acústicas son ondas de presión que se desarrollan dentro del tubo de
descarga y que es visible debido a su baja frecuencia.
El fenómeno de resonancias acústicas es grave en las lámparas de alta intensidad de
descarga. Con solo operar a la lámpara con una corriente en alta frecuencia, existe una alta
probabilidad de que se presenten las resonancias acústicas.
Las resonancias provocan problemas en la lámpara como son: fluctuaciones en la luz de
salida, variaciones en el color y temperatura e inestabilidades en el arco que pueden llegar a
destruir el tubo de descarga. La destrucción del tubo puede ocurrir en caso de que el arco
134
Tesis de maestría
Anexo 1
comience a tocar las paredes del tubo de descarga, esto provoca que el tubo se caliente hasta
que se rompa.
El fenómeno de resonancias acústicas puede ser observado, la Figura An.5 muestra la
apariencia de un arco de descarga de una lámpara de alta intensidad de descarga. En (a) se
observa el fenómeno de resonancias acústicas cuando la lámpara se opera con un balastro
electrónico en alta frecuencia, es visible como el arco se encuentra deformado debido a la
acción de la resonancia acústica. En (b) la lámpara no tiene resonancias acústicas, ésta se
mantiene operada con un balastro electrónico a una diferente frecuencia en donde no aparece
este fenómeno.
Las fotografías de arcos de descarga tienen que ser tomadas a través de un vidrio oscuro
especial o simplemente usando una máscara para soldar.
a)
b)
Figura An.5: Arcos de descarga en una LAID operada con un balastro electrónico.
Existen varios métodos para detectar la presencia de resonancias acústicas en la
operación de una LAID. Uno de los más complejos es el método fotogalvánico, el cual
determina la presencia de las resonancias acústicas por medio de técnicas de visualización
fotográfica (Figura An.6).
Eumir Deidier Enríquez Douriet
135
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura An.6: Tipos de resonancias acústicas en una lámpara de vapor de sodio de
alta presión.
Las otras técnicas de detección parten del hecho de que el fenómeno de resonancias
acústicas (RA) se manifiesta en los parámetros eléctricos de la lámpara, como son la tensión y
la corriente en la misma.
El método que se emplea en el desarrollo de esta tesis se basa en que los efectos de una
resonancia acústica se manifiestan en la tensión de lámpara. Considerando el esquema
general de un balastro electrónico para LAID, la tensión aplicada a través de la lámpara
contiene tres componentes básicas en el dominio de la frecuencia:
1) una de alta frecuencia mayor a 20 kHz, dependiendo de la frecuencia de
operación del inversor,
2) el rizo de baja frecuencia (100 – 120 Hz) causado por las variaciones del nivel de
cd, considerando una etapa de corrección del factor de potencia, y
3) la variación de la tensión debida a la presencia de una resonancia acústica y cuya
frecuencia es del orden de 5 a 10 Hz
136
Tesis de maestría
Anexo 1
La técnica aplicada en este método consiste en extraer de la lámpara la señal
correspondiente a la tensión, la cual indicará cuando exista una condición de resonancia
acústica en la lámpara.
Para obtener la señal correspondiente a la RA es necesario eliminar la componente del
rizo de baja frecuencia causado por las variaciones del nivel de cd y la componente de alta
frecuencia debido a la frecuencia de conmutación del inversor. Para esto se propone utilizar
un filtro con una pendiente muy pronunciada. Se utiliza un filtro Butterworth pasa-bajas de
4to. orden, en el cual se establece la banda de paso con un rizo determinado, la frecuencia de
corte y la atenuación mínima requerida.
An. 1.5 Circuitos de encendido
Para el encendido de una lámpara es necesario aplicar una tensión muy alta, como se
mostró en la sección 1.4, por ello se abordarán los métodos de elevación de tensión más
comunes para su aplicación en el encendido de las LAID [29].
An. 1.5.1 Tanques resonantes
La resonancia es el método más popular usado en los balastros electrónicos actuales.
Los tanques resonantes son circuitos en los cuales los elementos reactivos han sido diseñados
para operar en la frecuencia natural de resonancia. El tanque resonante tiene las siguientes
características:
•
proporciona capacidad de elevación de tensión, y
•
limita la corriente a través de la lámpara
La principal ventaja de este método es la posibilidad de lograr el encendido de la
lámpara y poder estabilizar la corriente en estado estable sin la necesidad de elementos
extras. Sin embargo, existen otros puntos que debemos considerar que presenten desventaja
en su aplicación, las cuales se presentan a continuación:
•
El tanque resonante requiere de un factor de calidad elevado lo cual nos lleva a
utilizar inductancias de alto valor cuando se opera a 60 Hz.
•
La tensión máxima que soporta el condensador que se encuentra en paralelo con
la lámpara. Dicho condensador debe ser sobredimensionado debido a que el
Eumir Deidier Enríquez Douriet
137
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
esfuerzo de tensión que debe soportar es alto, ya que el circuito debe tener una Q
elevada para lograr los pulsos de alta tensión.
•
La corriente que circula por todos los elementos en el arranque es
considerablemente mayor que en el estado estable.
•
Los problemas de resonancias acústicas pueden aumentar debido a la densidad
espectral de potencia en la lámpara.
Finalmente, el inconveniente de operar la lámpara con este tipo de tanques resonantes
en la aplicación de esta tesis es que proporciona una alimentación con formas de onda
sinusoidales.
An. 1.5.2 Multiplicadores de tensión
Los multiplicadores de tensión son circuitos que se basan en la unión de diodos y
condensadores para lograr la elevación de la tensión. En la Figura An.7 se muestran dos
configuraciones diferentes. En (a) se presenta un doblador de tensión que sólo puede, como
su nombre lo indica, duplicar la tensión de entrada. Si se necesita multiplicar por un mayor
factor es necesario agregar más etapas a la configuración, por ejemplo, en (b) se muestra un
cuadruplicador que proporciona factores de 2, 3 y 4 para multiplicar la tensión de entrada. En
estas configuraciones los diodos deben soportar el doble de la tensión de entrada.
D2
C1
Vm
D1
C2
2Vm
a)
2Vm
C1
Vm
D1
D2
C2
C3
D3
D4
C4
2Vm
4Vm
b)
Figura An.7: Multiplicadores de tensión: a) Doblador de tensión,
b) Cuadruplicador de tensión
Se puede notar, como una desventaja, la necesidad de agregar etapas para elevar el
factor por el cual multiplicamos la entrada. Si nuestra carga es pequeña y la corriente de fuga
138
Tesis de maestría
Anexo 1
de los condensadores es pequeña se puede lograr tensiones de salida de gran valor. No es un
método muy práctico debido a la cantidad de etapas usadas.
An. 1.5.3 Transformadores
La elevación de tensión puede llevarse a cabo a través de un transformador, aquí se
aprovecha el acoplamiento de dos bobinas dentro de un mismo campo magnético. La
elevación de tensión depende de la relación de transformación entre los devanados del
transformador. Por lo tanto, para obtener pulsos de alta tensión es necesario tener grandes
relaciones de vueltas entre los devanados del transformador. Este método es poco usado de
forma individual, por lo regular forma parte de otro método.
An. 1.5.4 Inductancia (di/dt)
Una inductancia permite aprovechar el campo magnético almacenado en ella para
elevar tensión, al aplicarle un di/dt alto y dependiendo del valor de la inductancia.
En los convertidores conmutados se aplica este principio, permitiendo elevar la tensión
con el uso de diferentes configuraciones. La mayor parte de los circuitos usados se derivan del
convertidor elevador-reductor. Existen aplicaciones donde un convertidor eleva el bus de cd
para que posteriormente, otra etapa se encargue de generar los pulsos de tensión. Sin
embargo, el problema en esta configuración es que existen dos etapas, lo que puede redundar
en elevación de costos.
An. 1.5.5 Ignitores
Los ignitores son otra aplicación del efecto de aplicar una di/dt con una elevada
pendiente en un inductor. La estructura básica de un ignitor está compuesta de un
condensador que almacena la energía para después disiparla en un inductor. Esto se logra
cortocircuitando el condensador por medio de un interruptor, regularmente del tipo
bimetálico (“spark gap”), el cual se cierra cuando la tensión sobrepasa su tensión de umbral
provocando que en el inductor se aplique un di/dt con una pendiente elevada, generando en
los extremos del inductor el pulso de tensión alta necesario.
Si a la inductancia se le acopla otro inductor con una cierta relación de elevación, se
obtiene una mayor tensión en los extremos del secundario de lo que ahora sería un
transformador. En la Figura An.8 se presenta este esquema, con un autotransformador en
lugar de una sola bobina. Se observa que esta configuración es muy simple, pues está
Eumir Deidier Enríquez Douriet
139
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
compuesto de pocos elementos. El circuito de disparo puede ser construido con un
interruptor bimetálico con el principio que se explicó anteriormente.
Ns
Np
Balastro
Lámpara
Circuito de
Disparo
Figura An.8: Ignitor típico.
Los ignitores son muy usados debido a su simplicidad. Existen tres tipos de conexiones
para los ignitores, las cuales se presentan en la Figura An.9. La selección del tipo de
conexión depende mucho de la aplicación o del tipo de balastro usado, también existen
lámparas que tiene en su interior interruptores, por lo que, el tipo de conexión del ignitor, ya
está determinado por el interruptor interno de la lámpara. Estos interruptores son por lo
regular bimetálicos.
Ignitor
a)
Balastro
Balastro
Ignitor
Ignitor
b)
Balastro
c)
Figura An.9: Conexión de ignitores: a) Circuito paralelo, b) Circuito semi-paralelo,
c) Circuito serie
La figura anterior muestra en (a) la conexión en paralelo. En este tipo de conexión el
interruptor por lo regular se encuentra integrado dentro de la lámpara, este interruptor tiene
la función de abrir y cerrar repetidamente para generar transitorios de tensión entre los
electrodos de la lámpara. Estos transitorios son provocados por el di/dt en la bobina del
balastro.
140
Tesis de maestría
Anexo 1
Los interruptores dentro de la lámpara son bimetálicos, este tipo de interruptores es
encontrado por lo regular en lámparas de sodio de alta presión. Para que durante la operación
en estado estable de la lámpara no se produzcan reencendidos innecesarios, se adiciona algún
elemento que desacopla al ignitor del circuito en operación normal.
En el caso de las conexiones semi-paralelo (b) y serie (c), los interruptores son
semiconductores. Al cerrar el interruptor se carga un condensador que a su vez se descarga en
una parte del devanado de la bobina (circuito semi-paralelo) o en el primario del
transformador (circuito serie). El voltaje a través de estos devanados es elevado a la amplitud
requerida en el secundario. A estos ignitores se les denomina electrónicos.
La conexión en serie tiene la ventaja de no aplicar transitorios de voltaje al balastro. Sin
embargo, su desventaja es que el transformador debe ser localizado cerca de la lámpara para
limitar la carga capacitiva que provoca atenuación en los pulsos aplicados a la lámpara.
Eumir Deidier Enríquez Douriet
141
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
142
CENIDET
Tesis de maestría
Anexo 2
Programa del PIC16F876
En este anexo se presenta el programa del PIC16F876 que fue empleado para controlar el inversor
puente completo que forma parte del balastro electrónico construido para caracterizar lámparas de alta
intensidad de descarga.
143
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
An. 2.1 Programa del PIC16F876
; CONTROL DEL INVERSOR PUENTE COMPLETO
; DEL BANCO DE PRUEBAS PARA EL ANALISIS
; DEL COMPORTAMIENTO DE LAS LÁMPARAS DE HID
LIST P=16F876
RADIX
HEX
INCLUDE
<P16F876.INC>
TEMP EQU 0x20
ORG 0x00
goto INICIO
ORG 0x04
goto INTER
ORG 0x05
INICIO clrf
PORTB
;Limpia el puerto de salida hacia el inversor
bsf
PORTB,1
;Deshabilita el inversor
bsf
STATUS,RP0
;Selección del Banco 1
bcf
STATUS,RP1
clrf
TRISB
;Habilita al Puerto B como salida
bsf
TRISB,0
;RB0 como entrada de interrupción
;
clrf
TRISC
;Borrar ya que se ha probado el programa
;
nop
;junto con este nop
movlw 0XFF
;Habilita al Puerto C como entrada
movwf TRISC
;para selección de frecuencia
clrf
PIE1
;Deshabilita interrupciones de periféricos
clrf
PIE2
;
movlw b'10000000'
;Asignación del divisor de frec. al TMR0=2
movwf OPTION_REG
;
bcf
STATUS,RP0
;Selección del Banco 0
movlw b'10010000'
;Habilita interrupciones globales ('10010000')
movwf INTCON
;
bcf
PORTB,4
;
bcf
PORTB,2
;
clrf
PORTC
;Limpia el puerto de selección de frecuencia
movlw .6
;Carga un # de pulsos
movwf TEMP
;Registro temporal que sirve como contador
bcf
PORTB,1
;Habilita el inversor
;
;RUTINA PARA ENCENDIDO DE LA LAMPARA
;
ENCD1 bcf
PORTB,4
;
nop
nop
nop
bsf
PORTB,2
;
nop
nop
nop
nop
nop
nop
144
Tesis de maestría
Anexo 2
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
bcf
nop
nop
nop
bsf
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
decfsz
goto
PORTB,2
;
PORTB,4
;
TEMP,1
ENCD1
;Se enviaron 6 pulsos de activación (130 kHz)
;NO... salta a la rutina de encendido
;SI... continúa el programa
;Deshabilita el inversor
;Selección del Banco 1
;Divisor del TMR0 = 128
;
;Selección del Banco 0
;Mover a W el valor que se cargará al TMR0
;Despejar la bandera por desbordamiento TMR0
ESTABLE DEL INVERSOR, DE INICIO SE
bsf
PORTB,1
bsf
STATUS,RP0
movlw b'10000110'
movwf OPTION_REG
bcf
STATUS,RP0
movlw .207
bcf
INTCON,2
;RUTINA PARA OPERACIÓN
ENCONTRARÁ OPERANDO A 400Hz
OPER call
RET
;Retardo
bcf
PORTB,4
;
nop
nop
;Tiempo muerto para los MOSFET
nop
bsf
PORTB,2
;
call
RET
;Retardo
bcf
PORTB,2
;
nop
nop
;Tiempo muerto para los MOSFET
nop
bsf
PORTB,4
;
goto OPER
;Se repite la secuencia
;RUTINA QUE GENERA EL RETARDO CORRESPONDIENTE A CADA UNA DE LAS
FRECUENCIAS REQUERIDAS
Eumir Deidier Enríquez Douriet
145
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
RET
movwf TMR0
;Carga al TMR0 con un # de cuentas
AGAIN btfss INTCON,2
;Revisa que la bandera por desbordamiento
goto AGAIN
bcf
INTCON,2
;Limpiar bandera por desbordamiento de TMR0
RETURN
INTER bcf
PORTB,2
;Asegurar que no haya cortos
bcf
PORTB,4
;
bcf
INTCON,GIE
;Desactivar interrupciones globales
movf PORTC,0
;Lee el byte que entra por el Puerto C
movwf TEMP
;Guardar el dato leido del Puerto C
sublw .255
;Resta 255 del dato leido
btfsc STATUS,2
;Diferente de O = salta
RETFIE
;Igual con O = retorna
movf TEMP,0
sublw .254
;Resta 254 del dato leido
btfsc STATUS,2
;Diferente de O = salta
RETFIE
;Igual con O = retorna
movf TEMP,0
call
TABLA_1
;Toma el dato para seleccionar el divisor
bcf
PCLATH,0
;
bsf
STATUS,RP0
;Selección de Banco 1
movwf OPTION_REG
;TMR0 = Div. de frec. seleccionado
bcf
STATUS,RP0
;Selección de Banco 0
movf TEMP,0
;W = Dato tomado del Puerto C
call
TABLA_2
;Toma el dato para el contador TMR0
bcf
PCLATH,1
;
bcf
INTCON,1
;Limpia la bandera de interrupción por RB0
bcf
INTCON,2
;Limpia la bandera de desbordamiento
bsf
INTCON,GIE
;Se habilitan todas las interrupciones
RETFIE
nop
;A continuación se presentan las tablas de los valores a cargar en el registro OPTION y
en TMR0
TABLA_1
bsf
PCLATH,0
;
addwf PCL,1
;El PC apunta a la dirección de la tabla
retlw 0x87
retlw 0x86
retlw 0x86
retlw 0x86
retlw 0x86
retlw 0x86
retlw 0x86
retlw 0x86
retlw 0x86
retlw 0x86
retlw 0x86
retlw 0x84
retlw 0x84
retlw 0x84
retlw 0x84
retlw 0x84
146
Tesis de maestría
Anexo 2
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
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retlw
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retlw
retlw
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retlw
retlw
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0x84
0x84
0x84
0x84
0x83
0x83
0x83
0x83
0x83
0x83
0x83
0x83
0x83
0x83
0x82
0x82
0x82
0x82
0x82
0x82
0x82
0x82
0x82
0x82
0x81
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0x81
0x81
0x81
0x81
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0x81
0x81
0x81
0x81
0x81
0x81
0x81
0x81
0x81
0x81
0x81
0x81
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0x80
0x80
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0x80
Eumir Deidier Enríquez Douriet
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
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retlw
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retlw
retlw
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retlw
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0x80
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0x80
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0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
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0x80
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0x80
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0x80
0x80
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0x80
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0x80
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0x80
0x80
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0x80
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0x80
0x80
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0x80
0x80
0x80
147
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
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retlw
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retlw
retlw
retlw
retlw
148
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
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0x80
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CENIDET
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retlw
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retlw
retlw
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retlw
retlw
retlw
retlw
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0x80
0x80
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0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
Tesis de maestría
Anexo 2
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
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TABLA_2
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
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retlw
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retlw
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retlw
retlw
retlw
retlw
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retlw
retlw
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0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
bsf
PCLATH,1
addwf PCL,1
retlw .93
.61
.158
.191
.207
.217
.223
.228
.231
.234
.236
.185
.191
.196
.200
.204
.207
.210
.213
.215
.217
.182
.185
.188
.191
.194
.196
.198
.200
.202
.204
Eumir Deidier Enríquez Douriet
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
0x80
;El PC apunta a la dirección de la tabla
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
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retlw
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retlw
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.155
.158
.161
.164
.167
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.172
.174
.176
.178
.104
.107
.111
.114
.117
.120
.123
.126
.129
.131
.133
.136
.138
.140
.142
.144
.146
.148
.150
.152
149
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
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retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
150
.51
.54
.58
.61
.64
.67
.69
.72
.75
.77
.80
.82
.85
.87
.89
.92
.94
.96
.98
.100
.102
.104
.105
.107
.109
.111
.112
.114
.116
.117
.119
.120
.122
.123
.124
.126
.127
.128
.130
.131
.132
.133
.134
.135
.136
.137
.138
.139
.140
.141
.142
CENIDET
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
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.143
.144
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.146
.147
.148
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.150
.151
.152
.153
.154
.155
.156
.157
.158
.159
.160
.161
.162
.163
.164
.165
.166
.167
.168
.169
.170
.171
.172
.173
.174
.175
.176
.177
.178
.179
.180
.181
.182
.183
.184
.185
.186
.187
.188
.189
.190
.191
.192
.193
Tesis de maestría
Anexo 2
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
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retlw
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retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
.194
.195
.196
.197
.198
.199
.200
.201
.202
.203
.204
.205
.206
.207
.208
.209
.210
.211
.212
.213
.214
.215
.216
.217
.218
.219
.220
.221
.222
.223
.224
.225
.226
.227
.228
.229
.230
.231
.232
.233
.234
.235
.236
.237
.238
.239
.240
.241
.242
.243
.244
Eumir Deidier Enríquez Douriet
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
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retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
retlw
.245
.246
.247
.248
.249
.250
.251
.252
.253
.254
.255
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
.206
END
151
Anexo 2
Eumir Deidier Enríquez Douriet
152
Apéndice 1
Diagramas eléctricos
En este apéndice se presentan los diagramas eléctricos de los circuitos utilizados en este trabajo de
tesis, así como la lista de partes correspondiente a cada uno de ellos.
153
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Ap. 1.1 Diagrama del sistema de control con PIC16F876
Figura Ap.1: Diagrama eléctrico del sistema con PIC16F876.
154
Tesis de maestría
Apéndice 1
Tabla Ap.1: Lista de partes del sistema de control con PIC16F876.
Elemento
Descripción
C1, C4, C7
Condensador cerámico 100 nF
C2, C3
Condensador cerámico 15 pF
C5
Condensador electrolítico 47 µF a 25 V
C6
Condensador cerámico 10 nF
R1, R3, R4, R5, R6, R15, R16,
R17, R18, R19, R22, R23, R24
Resistencia película de carbón 10 KΩ
R2, R7, R8, R9, R10, R11, R12,
R13, R14, R20
Resistencia película de carbón 100 Ω
R21
Resistencia película de carbón 5.6 KΩ
D1, D2
Diodos rápidos 1N4148
K1
Cristal de cuarzo de 20 MHz
SW1, SW2
Interruptor sencillo “push bottom”
Eumir Deidier Enríquez Douriet
155
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Ap. 1.2 Diagrama del inversor puente completo
Figura Ap.2: Inversor puente completo.
156
Tesis de maestría
Apéndice 1
Tabla Ap.2: Lista de partes del inversor puente completo.
Elemento
Descripción
C1, C3, C8, C10
Condensador poliéster 100 nF
C2, C9
Condensador polipropileno 1 µF
C4
Condensador poliéster 330 nF a 630 V
C5, C7
Condensador poliéster 1 nF
C6
Condensador polipropileno 33 nF
D1, D2, D3, D4
Diodo rectificador rápido 1N4937
L1
Inductancia del primario 45 µH
L2
Inductancia del secundario 400 µH
M1, M2, M3, M4
Mosfet de potencia IRFP460: 500V, 20 A, Rdson = 0.27Ω
R1, R3, R8, R10
Resistencia película de carbón 12 Ω
R2, R4, R9, R11
Resistencia película de carbón 2.7 Ω
R5, R7
Resistencia película de carbón 220 Ω
R6
Banco estabilizador resistivo, valor según lámpara
IR2110
Impulsor superior e inferior IR2110
Eumir Deidier Enríquez Douriet
157
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Ap. 1.3 Diagrama del circuito de medición de resonancias acústicas
Figura Ap.3: Medidor de resonancias acústicas.
158
Tesis de maestría
Apéndice 1
Tabla Ap.3: Lista de partes del medidor de resonancias acústicas.
Elemento
Descripción
C1, C2
Condensador cerámico 10 nF
C3
Condensador cerámico 1 nF
R1, R7
Resistencia película de metálica 475 KΩ
R2, R8
Resistencia película de metálica 47.5 KΩ
R3, R4, R5, R6, R9, R17, R18
Resistencia película de carbón 10 KΩ
R10
Resistencia película de carbón 1.8 KΩ
R11
Resistencia película de carbón 3.3 KΩ
R12
Potenciómetro 5 KΩ
R13
Resistencia película de carbón 8.2 KΩ
R14
Potenciómetro 2 KΩ
R15
Resistencia película de carbón 440 KΩ
R16
Potenciómetro 50 KΩ
A, B, C, D
Amplificador operacional dual TL082
Eumir Deidier Enríquez Douriet
159
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
160
CENIDET
Tesis de maestría
Apéndice 2
Listado de figuras, tablas y
simbología
Ap. 2.1 Lista de figuras
Introducción
Figura Intro.1: Progreso de la eficacia luminosa de varios tipos de lámparas.
xiii
Figura Intro.2: Formas de onda de voltaje y corriente sinusoidales aplicadas a una
lámpara de descarga y la potencia instantánea consumida por la lámpara.
xv
Figura Intro.3: Formas de onda cuadradas de voltaje y corriente aplicadas a una
lámpara de descarga y la potencia instantánea consumida por la lámpara.
xv
161
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Capítulo 2
Figura 2.1: Diagrama esquemático del sistema de medición.
9
Figura 2.2: Diagrama a bloques (a) y esquemático (b) del balastro electrónico.
10
Figura 2.3: Ignitor resonante serie.
12
Figura 2.4: Reducción de parásitos.
14
Figura 2.5: Método de inmunidad a sobretiros negativos de Vs.
14
Figura 2.6: Red de ayuda a la conmutación RCD.
15
Figura 2.7: Ignitor resonante serie previo al encendido de la lámpara.
19
Figura 2.8: Tensión (gráfica superior) y corriente (gráfica inferior) en la lámpara.
22
Figura 2.9: Diagrama a bloques del medidor de resonancias acústicas.
23
Capítulo 3
Figura 3.1: Eficacia vs. frecuencia.
28
Figura 3.2: Índice de rendimiento de color vs. frecuencia.
30
Figura 3.3: Temperatura del color vs. frecuencia.
32
Figura 3.4: Resistencia de lámpara vs. frecuencia.
34
Capítulo 4
162
Figura 4.1: Resistencia vs. potencia en lámparas de vapor de sodio.
40
Figura 4.2: Resistencia vs. potencia en lámparas de halogenuros metálicos.
41
Figura 4.3: Resistencia vs. potencia en una lámpara de vapor de mercurio.
42
Figura 4.4: Tensión instantánea vs. corriente instantánea en la lámpara.
44
Figura 4.5: Tensión instantánea vs. corriente instantánea en la lámpara.
45
Figura 4.6: Tensión instantánea vs. corriente instantánea en lámpara.
45
Figura 4.7: Tensión instantánea vs. corriente instantánea en lámpara.
45
Figura 4.8: Tensión instantánea vs. corriente instantánea en lámpara.
46
Figura 4.9: Eficacia vs. potencia en lámparas de vapor de sodio.
47
Figura 4.10: Eficacia vs. potencia en lámparas de halogenuros metálicos.
48
Tesis de maestría
Apéndice 2
Figura 4.11: Eficacia vs. potencia en lámpara de vapor de mercurio.
49
Figura 4.12: Índice de rendimiento de color vs. potencia en lámparas de vapor de sodio.
51
Figura 4.13: IRC vs. potencia en lámparas de halogenuros metálicos.
52
Figura 4.14: IRC vs. potencia en una lámpara de vapor de mercurio.
53
Figura 4.15: Temperatura del color vs. potencia en lámparas de vapor de sodio.
55
Figura 4.16: Temperatura del color vs. potencia en lámparas de halogenuros metálicos.
56
Figura 4.17: Temparatura del color vs. potencia en una lámpara de vapor de mercurio.
57
Capítulo 5
Figura 5.1: Red formada por una lámpara y la impedancia que la estabiliza.
64
Figura 5.2: Diagrama eléctrico generalizado en el dominio de la frecuencia para
lámparas alimentadas con balastros electrónicos.
65
Figura 5.3: Impedancia normalizada vs. porcentaje de CIL en LU70.
69
Figura 5.4: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en LU70.
71
Figura 5.5: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en LU70.
73
Figura 5.6: Impedancia normalizada vs. porcentaje de CIL en C100S54.
75
Figura 5.7: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en C100S54.
77
Figura 5.8: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en C100S54.
79
Figura 5.9: Impedancia normalizada vs. porcentaje de CIL en CDM-TD.
81
Figura 5.10: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en CDM-TD.
83
Figura 5.11: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en CDM-TD.
85
Figura 5.12: Impedancia normalizada vs. porcentaje de CIL en CDM-R.
87
Figura 5.13: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en CDM-R.
89
Figura 5.14: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en CDM-R.
91
Figura 5.15: Impedancia normalizada vs. porcentaje de CIL en H39KC.
93
Eumir Deidier Enríquez Douriet
163
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Figura 5.16: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en H39KC.
95
Figura 5.17: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en H39KC.
97
Figura 5.18: Comportamiento de la zona de estabilidad en LAID.
100
Capítulo 6
Figura 6.1: Potencia vs. corriente en la lámpara LUCALOX - LU70.
102
Figura 6.2: Tensión vs. corriente en la lámpara LUCALOX - LU70.
103
Figura 6.3: Factor de potencia vs. CIL en la lámpara LUCALOX - LU70.
103
Figura 6.4: Factor de cresta vs. CIL. en la lámpara LUCALOX - LU70.
104
Figura 6.5: Potencia vs. corriente en la lámpara CERAMALUX – C100S54.
105
Figura 6.6: Tensión vs. corriente en la lámpara CERAMALUX – C100S54.
106
Figura 6.7: Factor de potencia vs. CIL en la lámpara CERAMALUX – C100S54.
106
Figura 6.8: Factor de cresta vs. CIL. en la lámpara CERAMALUX – C100S54.
107
Figura 6.9: Potencia vs. corriente en la lámpara CDM-TD.
108
Figura 6.10: Tensión vs. corriente en la lámpara CDM-TD.
109
Figura 6.11: Factor de potencia vs. CIL en la lámpara CDM-TD.
109
Figura 6.12: Factor de cresta vs. CIL. en la lámpara CDM-TD.
110
Figura 6.13: Potencia vs. corriente en la lámpara CDM-R.
111
Figura 6.14: Tensión vs. corriente en la lámpara CDM-R.
112
Figura 6.15: Factor de potencia vs. CIL en la lámpara CDM-R.
112
Figura 6.16: Factor de cresta vs. CIL. en la lámpara CDM-R.
113
Figura 6.17: Potencia vs. corriente en las lámparas de vapor de mercurio.
114
Figura 6.18: Tensión vs. corriente en las lámparas vapor de mercurio.
115
Figura 6.19: Factor de potencia vs. CIL en las lámparas vapor de mercurio.
115
Figura 6.20: Factor de cresta vs. CIL. en las lámparas vapor de mercurio.
116
Anexo 1
Figura An.1: Lámparas de vapor de sodio de alta presión.
164
129
Tesis de maestría
Apéndice 2
Figura An.2: Lámpara de vapor de mercurio de alta intensidad de descarga.
130
Figura An.3: Lámparas de halogenuros metálicos.
131
Figura An.4: Proceso de encendido de una lámpara de descarga.
133
Figura An.5: Arcos de descarga en una LAID operada con un balastro electrónico.
135
Figura An.6: Tipos de resonancias acústicas en una lámpara de vapor de sodio de alta
presión.
136
Figura An.7: Multiplicadores de tensión: a) Doblador de tensión,
b) Cuadruplicador de tensión
Figura An.8: Ignitor típico.
138
140
Figura An.9: Conexión de ignitores: a) Circuito paralelo, b) Circuito semi-paralelo,
c) Circuito serie
140
Apéndice 1
Figura Ap.1: Diagrama eléctrico del sistema con PIC16F876.
154
Figura Ap.2: Inversor puente completo.
156
Figura Ap.3: Medidor de resonancias acústicas.
158
Eumir Deidier Enríquez Douriet
165
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Ap. 2.2 Lista de tablas
Capítulo 2
Tabla 2.1: Diseño de las bobinas del autotransformador.
21
Capítulo 3
Tabla 3.1: Procedimiento de caracterización con variacion en frecuencia.
26
Tabla 3.2: Lámparas caracterizadas con variación en frecuencia.
27
Tabla 3.3: Comparación de datos - Eficacia Luminosa.
28
Tabla 3.4: Comparación de resultados - Eficiencia.
29
Tabla 3.5: Comparación de resultados - IRC.
31
Tabla 3.6: Comparación de resultados - Temperatura del color.
33
Tabla 3.7: Resumen del capítulo 3.
35
Capítulo 4
Tabla 4.1: Procedimiento de caracterización con variacion en frecuencia.
38
Tabla 4.2: Procedimiento de caracterización con variacion en frecuencia.
39
Tabla 4.3: Procedimiento de caracterización con variacion en frecuencia.
42
Tabla 4.4: Procedimiento de caracterización con variacion en frecuencia.
49
Tabla 4.5: Procedimiento de caracterización con variacion en frecuencia.
53
Tabla 4.6: Procedimiento de caracterización con variacion en frecuencia.
57
Tabla 4.7: Procedimiento de caracterización con variacion en frecuencia.
59
Capítulo 5
166
Tabla 5.1: Procedimiento de las pruebas de estabilidad.
67
Tabla 5.2: Lámparas caracterizadas con control de intensidad luminosa.
68
Tabla 5.3: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en LU70.
70
Tabla 5.4: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en LU70.
72
Tabla 5.5: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en LU70.
74
Tesis de maestría
Apéndice 2
Tabla 5.6: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en C100S54.
76
Tabla 5.7: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en C100S54.
78
Tabla 5.8: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en C100S54.
80
Tabla 5.9: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en CDM-TD.
82
Tabla 5.10: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en CDM-TD.
84
Tabla 5.11: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en CDM-TD.
86
Tabla 5.12: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en CDM-R.
88
Tabla 5.13: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en CDM-R.
90
Tabla 5.14: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en CDM-R.
92
Tabla 5.15: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en H39KC.
94
Tabla 5.16: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en H39KC.
96
Tabla 5.17: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en H39KC.
98
Tabla 5.18: Resumen del capítulo 5.
98
Capítulo 6
Tabla 6.1: Comparación de datos en la lámpara LUCALOX – LU70.
104
Tabla 6.2: Comparación de datos en la lámpara CERAMALUX – C100S54.
107
Tabla 6.3: Comparación de datos en la lámpara CDM-TD.
110
Tabla 6.4: Comparación de datos en la lámpara CDM-R.
113
Tabla 6.5: Comparación de datos en las lámparas de vapor de mercurio.
116
Tabla 6.6: Resumen del capítulo 6.
117
Apéndice 1
Tabla Ap.1: Lista de partes del sistema de control con PIC16F876.
155
Tabla Ap.2: Lista de partes del inversor puente completo.
157
Tabla Ap.3: Lista de partes del medidor de resonancias acústicas.
159
Eumir Deidier Enríquez Douriet
167
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
Ap. 2.3 Nomenclatura y simbología
168
LAID
Lámpara de alta intensidad de descarga
ALT
Longitud promedio por vuelta
Aw
Área de ventana
Bmax
Densidad de flujo máxima
ca
Corriente alterna
Cb
Condensador de “bootstrap”
CCT
Temperatura del color correlacionada
cd
Corriente directa
CIE
Comisión Internacional de Iluminación
COM
Terminal No. 2 del circuito integrado IR2110
CR
Condensador resonante
di/dt
Diferencia de corriente con respecto al tiempo
CIL
Control de intensidad luminosa
F.C.
Factor de cresta de corriente de la lámpara
F.P.
Factor de potencia de la lámpara
fenc
Frecuencia de conmutación al encendido
Hz
Hertz
IES
Sociedad de Ingenieros en Iluminación
Io
Corriente máxima en el primario del autotransformador
IRC
Índice de rendimiento de color
Ku
Factor de utilización
Tesis de maestría
Apéndice 2
L2
Inductancia de una vuelta en el núcleo y entrehierro seleccionado
lg
Longitud del entrehierro
lm
Lumen
lm/W
Eficacia luminosa
Lp
Inductancia del primario del autotransformador
Ls
Inductancia del secundario del autotransformador
N
Relación de vueltas del autotransformador
nm
Nanometros
Pa
Pascal
Q
Factor de calidad de un circuito resonante
RA
Resonancia acústica
RCD
Resistencia-Condensador-Diodo
RL/RS
Impedancia normalizada
Rlamp
Resistencia promedio de la lámpara
Rs
Resistencia estabilizadora
SW1
Interruptor No. 1
SW2
Interruptor No. 2
UV
Radiación ultravioleta
VB
Terminal No. 6 del circuito integrado IR2110
Vcc
Tensión de alimentación del circuito integrado
VDC
Tensión de corriente directa
Vlamp
Tensión en el encendido de la lámpara
Eumir Deidier Enríquez Douriet
169
Caracterización de LAID con Formas de Onda Cuadradas
CENIDET
VLp
Tensión en el primario del autotransformador
VLs
Tensión en el secundario del autotransformador
VS
Terminal No. 2 del circuito integrado IR2110
W
Potencia eléctrica
XLc
Impedancia de la inductancia producida por los cables de
alimentación
170
ZB(s)
Impedancia estabilizadora de corriente
Zl(s)
Impedancia de la lámpara en pequeña señal
ZL(s)
Impedancia compleja de una lámpara de descarga
ZT
Impedancia total medida a la salida del inversor de alimentación
µo
Permeabilidad del aire
ω
Frecuencia angular
Ф
Flujo luminoso
A34
Área transversal del alambre calibre 34
A40
Área transversal del alambre calibre 40
M1…4
MOSFET No. x
Tesis de maestría