Eumir Deidier... · Tabla de Contenido Resumen de la tesis v Summary ix Introducción xiii CAPÍTULO 1: CONCEPTOS EN ILUMINACIÓN 1 1.1 Conceptos generales 2 1.1.1 Luminiscencia 2

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 DE TESIS :

DR. MARIO PONCE SILVA

DRA. MARÍA COTOROGEA PFEIFER CUERNAVACA, MORELOS JULIO 2005

TTaabbllaa ddee CCoonntteenniiddoo

Resumen de la tesis v

Summary ix

Introducción xiii

CAPÍTULO 1: CONCEPTOS EN ILUMINACIÓN 1

1.1 Conceptos generales 2

1.1.1 Luminiscencia 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 25

3.1 Procedimiento de caracterización 26

3.2 Resultados de caracterización 26

3.2.1 Eficacia 27



3.2.4 Resistencia promedio de la lámpara 33

CAPÍTULO 4: CARACTERIZACIÓN CON CONTROL DE INTENSIDAD LUMINOSA 37



4.2.1 Resistencia promedio de la lámpara 39

4.2.2 Resistencia instantánea de la lámpara 44

4.2.3 Eficacia 46



CAPÍTULO 5: PRUEBAS EXPERIMENTALES DE ESTABILIDAD 61

5.1 Estabilidad en lámparas de descarga 62



5.3.1 Lámpara de vapor de sodio LUCALOX – LU70 68

ii 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 119

7.1 Conclusiones 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 132

Eumir Deidier Enríquez Douriet iii


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 161

Ap. 2.1 Lista de figuras 161

Ap. 2.2 Lista de tablas 166

Ap. 2.3 Nomenclatura y simbología 168

iv Tesis de maestría

RReessuummeenn ddee llaa TTeessiiss

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


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


viii Tesis de maestría

SSuummmmaarryy

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


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


xii Tesis de maestría

IInnttrroodduucccciióónn

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


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


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

CCaappííttuulloo 11

CCoonncceeppttooss eenn IIlluummiinnaacciióónn

En este capítulo se presentan los conceptos básicos empleados en el campo de la iluminación.

1


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


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

1.1.4

1.1.5

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.

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.

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


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

1.1.7

1.1.8

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.

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.

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.



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.



EEllaabboorraacciióónn ddeell bbaannccoo ddee pprruueebbaass

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


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.


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.



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



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 4Vcdπ . Además, no requiere condensadores de filtrado ni

transformador y brinda una señal cuadrada y simétrica de tensión y corriente.

2.1.2

2.1.3

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.

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.



Figura 2.3: Ignitor resonante serie.

2.1.4

2.2.1

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.

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]:



A. Minimizar los parásitos

Usar pistas gruesas y directas entre interruptores, sin generar lazos o

derivaciones.

Evitar interconectar puntos de conexión, ya que puede incrementar de forma

significativa la inductancia parásita.

Considerar la colocación de los interruptores, tratando de que se encuentren lo

más cerca posible entre ellos.

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

Conectar las terminales Vs y COM como se muestra en la Figura 2.4.

Minimizar parásitos en la compuerta del impulsor mediante el uso de pistas

cortas, gruesas y directas al interruptor de potencia.

Colocar el impulsor lo más cerca posible a los interruptores de potencia.

C. Mejorar el desacoplo local

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.

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.

Conectar directamente a los pines apropiados los condensadores de desacoplo.

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.



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.



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



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:

tC IV∆

=∆

(2.1)



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:

stRC

= (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

212 sP CV= f

2.3.2

(2.3)

donde

V es la tensión máxima en el interruptor y

fs es la frecuencia de conmutación.

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.



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:



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:

LpLslamp VVV += (2.4)

Figura 2.7: Ignitor resonante serie previo al encendido de la lámpara.



La tensión en la inductancia del primario del autotransformador es:

Lp o Lp oV I X I Lp ω= ⋅ = ⋅ ⋅ . (2.5)

La tensión en la inductancia del secundario del autotransformador es:

Ls LpV V N= ⋅ . (2.6)

Por lo tanto, sustituyendo (2.5) en (2.6) tenemos:

Ls oV I Lp Nω= ⋅ ⋅ ⋅ . (2.7)

Sustituyendo VLp y VLs en (2.4) se tiene:

( )1lamp oV I Lp Nω= ⋅ ⋅ ⋅ + . (2.8)

De (2.8) se despeja Lp obteniendo:

(1 )lamp

o

VLp

I Nω=

⋅ ⋅ +. (2.9)

Por otra parte, la tensión Vin de la Figura 2.7 es igual a:

Lp Cin

o

X XV

I−

= . (2.10)

Sustituyendo en la ecuación (2.10) los valores de la impedancia capacitiva e inductiva y

despejando de ahí Lp se tiene:

2

1in oV ILpCω ω

⋅= + . (2.11)

Igualando las ecuaciones (2.9) y (2.11) se despeja la relación de vueltas N:

21lamp

oin o

VN IV I

Cω

= −⋅ +

⋅

. (2.12)

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).



10C nF= (2.13)

Tabla 2.1: Diseño de las bobinas del autotransformador.

Paso Fórmula general Valores Valor calculado

1. Relación de vueltas (N)

21lamp

oin o

VN IV I

Cω

= −⋅ +

⋅

C = 10 ηF Vlamp = 4000 V ω = 816814 rad/s Io = 15 A

N = 3.19 ≈ 3

2. Inductancia del primario del autotransformador ( )NIo

VLp lamp

+⋅⋅=

1ω

Vlamp = 4000 V Io = 15 A ω = 816814 rad/s (1+N) = 4.19

Lp = 40.5µH

3. Número de vueltas del primario x

x yy

LN NL

= ⋅ Ny = 1 Ly = 87.8 ηH Lx = Lp = 40.5µH

Nx ≈ 22 Por lo tanto: N1 = 22

4. Número máximo de vueltas permitido para evitar saturación del núcleo

o

g

IlB

nµ⋅⋅⋅

=max

maxmax

5.1

Bmax = 0.3 T lg = 0.0017 m Imax = Io = 15 A µo = 4π10-7 H/m

nmax ≈ 40

5. Número de vueltas del secundario

NNN ⋅= 12 N1 = 22 N = 3

N2 ≈ 66

6. Área ocupada por el secundario 2 s(Hilos)sA N A34= ⋅ ⋅ N2 = 65

(No. de hilos)s = 2 A34 = 0.0201 mm2

As = 2.59 mm2

7. Área destinada para el primario

( )1N

AKAA suw

p−⋅

= Aw = 102 mm2

Ku = 0.2 As = 2.59 mm2

N1 = 22

Ap = 0.83 mm2

8. Número de hilos trenzados para el primario p

40

(No. de hilos) pAA

= Ap = 0.83 mm2

A40 = 0.005 mm2(No. de hilos)p ≈ 166

9. Longitud de cable del primario

ALTNl p ⋅= 1 N1 = 22 ALT = 69 mm

lp = 1482.7 mm

10. Longitud de cable del secundario

ALTNls ⋅= 2 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.



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.

Time

0s 50us 100us 150us 200us-I(R5)

-500A

0A

500A

SEL>>

V(R1:1,R1:2)-50KV

0V

50KV

Figura 2.8: Tensión (gráfica superior) y corriente (gráfica inferior) en la lámpara.



2.3.4

2.3.5

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.

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.



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.



CCaarraacctteerriizzaacciióónn aannttee vvaarriiaacciioonneess ddee

ffrreeccuueenncciiaa

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


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

Procedimiento de medición Gráficas obtenidas

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

1) Encender la lámpara a 130 kHz 2) Ajustar frecuencia de operación a 400 Hz 3) Desconectar el ignitor 4) Ajustar frecuencia de operación para la

prueba 5) Esperar 10 minutos para que se estabilice la

corriente y la tensión de lámpara 6) Observar presencia de resonancias acústicas 7) Medir las características de la lámpara:

lúmenes, IRC, CCT y RL 8) Incrementar frecuencia de operación 1 kHz y

repetir los pasos 5 a 7 hasta llegar a 125 kHz

Eficacia vs. frecuencia

Índice de rendimiento de color vs. frecuencia

Temperatura del color vs. frecuencia

Resistencia de lámpara vs. frecuencia

3.2 Resultados de caracterización

Las lámparas de alta intensidad de descarga caracterizadas se presentan en la siguiente

tabla:


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.



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

Ondas producidas por balastro

electromagnético a 60 Hz

Ondas cuadradas a

60 Hz

Diferencia (%)

Valor máximo (ondas

cuadradas)

Diferencia (%)

LUCALOX

Vapor de sodio 81.32 Lm/W 77.86 Lm/W -4.25 %

77.86 Lm/W

@ 60 Hz -4.25 %

CERAMALUX

Vapor de sodio 82.88 Lm/W 97.01 Lm/W 17 %

101.4 Lm/W

@ 16 kHz 22.34 %

CDM-TD

Halogenuros 85.22 Lm/W 85.49 Lm/W 0.31 %

90.09 Lm/W

@ 109 kHz 5.71 %

CDM-R

Halogenuros 58.16 Lm/W 62.90 Lm/W 8.14 %

64.67 Lm/W

@ 3 kHz 11.19 %

H39KC

Vapor de mercurio

43.19 Lm/W 42.26 Lm/W -2.15 % 44.16 Lm/W

@ 31.2 kHz 2.24 %



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



Ondas cuadradas a

60 Hz

Diferencia (%)


cuadradas)

Diferencia (%)

LUCALOX

Vapor de sodio 11.9 % 11.39 % -0.51 %

11.39 %

@ 60 Hz -0.51 %

CERAMALUX

Vapor de sodio 12.13 % 14.2 % 2.07 %

14.84 %

@ 16 kHz 2.71 %

CDM-TD

Halogenuros 12.47 % 12.51 % 0.04 %

13.2 %

@ 109 kHz 0.74 %

CDM-R

Halogenuros 8.51 % 9.2 % 0.69 %

9.4 %

@ 3 kHz 0.89 %

H39KC

Vapor de mercurio

6.32 % 6.18 % -0.14 % 6.46 %

@ 31.2 kHz 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



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.



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



Ondas cuadradas a

60 Hz

Diferencia (%)


cuadradas)

Diferencia (%)

LUCALOX

Vapor de sodio 24.6 37.9 54.06 %

49.3

@ 8 kHz 100.4 %

CERAMALUX

Vapor de sodio 12.6 14.4 14.28 %

16.9

@ 35.2 kHz 34.12 %

CDM-TD

Halogenuros 81.2 80.2 -1.23 %

83

@ 13 kHz 2.21 %

CDM-R

Halogenuros 78.4 77.3 -1.4 %

81.6

@ 125 kHz 4.08 %

H39KC

Vapor de mercurio

45.9 46.4 1.08 % 46.7

@ 10 kHz 1.74 %



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.



Tabla 3.6: Comparación de resultados - Temperatura del color

TEMPERATURA DEL COLOR

Lámparas



Ondas cuadradas a

60 Hz

Diferencia (%)


cuadradas)

Diferencia (%)

LUCALOX

Vapor de sodio 1913 ºK 1905 ºK -0.41 %

1949 ºK

@ 8 kHz 1.88 %

CERAMALUX

Vapor de sodio 1956 ºK 1898 ºK -2.9 %

1903 ºK

@ 12 kHz -2.7 %

CDM-TD

Halogenuros 2934 ºK 2922 ºK -0.4 %

2922 ºK

@ 60 Hz -0.4 %

CDM-R

Halogenuros 3117 ºK 3149 ºK 1.02 %

3149 ºK

@ 60 Hz 1.02 %

H39KC

Vapor de mercurio

3647 ºK 3736 ºK 2.44 % 3741 ºK

@ 3 kHz 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.

2lamp T Lc

2R Z X= − (3.1)

donde



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



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

Resistencia de lámpara

Sin cambio Sin cambio Sin cambio Sin cambio LUCALOX

Vapor de sodio Sin variación Sin variación Mejoría Mejoría Incremento

Sin cambio Sin cambio Sin cambio Sin cambio CERAMALUX

Vapor de sodio Mejoría Mejoría Mejoría Mejoría Incremento

Sin cambio Sin cambio Sin cambio Decremento CDM-TD

Halogenuros metálicos Mejoría Mejoría Sin variación Mejoría

Incremento

Sin cambio Sin cambio Sin cambio Decremento CDM-R

Halogenuros metálicos Mejoría Mejoría Sin variación Mejoría

Incremento

Sin cambio Sin cambio Sin cambio Sin cambio H39KC

Vapor de mercurio Mejoría Mejoría Sin variación Mejoría

Sin cambio

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



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.



CCaarraacctteerriizzaacciióónn ccoonn ccoonnttrrooll ddee

iinntteennssiiddaadd lluummiinnoossaa

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



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



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

1) Encender la lámpara a 130 kHz

2) Ajustar frecuencia de operación a 400 Hz

3) Desconectar ignitor

4) Ajustar potencia de la lámpara para la prueba

5) Ajustar frecuencia de operación para la prueba

6) Esperar 10 minutos para que se estabilice la corriente y la tensión de lámpara

7) Observar presencia de resonancias 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

Resistencia de lámpara vs. CIL

Eficacia vs. CIL

Índice de rendimiento de color vs. CIL

Temperatura del color vs. CIL

Tensión instantánea vs. corriente instantánea

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


Capítulo 4. Caracterización con control de intensidad luminosa

medidos, así como su relación con este trabajo de tesis, fueron explicados en el capítulo

anterior.



tabla:

Tabla 4.2: Lámparas caracterizadas con control de intensidad luminosa.









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.



Figura 4.1: Resistencia vs. potencia en lámparas de vapor de sodio.



Figura 4.2: Resistencia vs. potencia en lámparas de halogenuros metálicos.



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 CIL

Mínima Máxima Tendencia

LUCALOX

Vapor de sodio 10% al 100% 49.34Ω

@ 80%, 20 kHz

108.16Ω

@ 10%, 125 kHz No hay

CERAMALUX

Vapor de sodio 10% al 100%

18.88Ω

@ 10%, 20 kHz

35.06Ω

@ 30%, 60 Hz No hay

CDM-TD

Halogenuros metálicos

35% al 100% 90.26Ω

@ 100%, 10 kHz

340.43Ω

@ 35%, 86.5 kHz Disminuir

CDM-R


40% al 100% 117.18Ω

@ 100%, 10 kHz

381.63Ω

@ 40%, 61 kHz Disminuir

H39KC

Vapor de mercurio

10% al 100% 75.71Ω

@ 10%, 10 kHz

143.19Ω

@ 60%, 125 kHz Parabólica



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



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.



Figura 4.5: Tensión instantánea vs. corriente instantánea en la lámpara.

Figura 4.6: 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.



Figura 4.9: Eficacia vs. potencia en lámparas de vapor de sodio.



Figura 4.10: Eficacia vs. potencia en lámparas de halogenuros metálicos.



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 Dimming


LUCALOX

Vapor de sodio 10% al 100% 23.14 Lm/W

@ 10%, 125 kHz

81.6 Lm/W

@ 80%, 61 kHz Incrementar

CERAMALUX


24.86 Lm/W

@ 10%, 125 kHz

99.7 Lm/W


CDM-TD


35% al 100% 44.83 Lm/W

@ 35%, 86.5 kHz

89.16 Lm/W


CDM-R


40% al 100% 32.54 Lm/W

@ 40%, 61 kHz

62.9 Lm/W

@ 100%, 60 Hz Incrementar

H39KC

Vapor de mercurio

10% al 100% 6.34 Lm/W

@ 10%, 125 kHz

43.93 Lm/W




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.



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.



Figura 4.13: IRC vs. potencia en lámparas de halogenuros metálicos.



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 Dimming


LUCALOX

Vapor de sodio 10% al 100% 0

@ 10%, 125 kHz,

55

@ 100%, 60 Hz, Incrementar

CERAMALUX


0

@ 10%, 125 kHz,

16.8

@ 30%, 61 kHz, Incrementar

CDM-TD


35% al 100% 52.9

@ 35%, 1 kHz,

82.5


CDM-R


40% al 100% 39.3

@ 40%, 30 kHz,

82.5


H39KC

Vapor de mercurio

10% al 100% 46.2

@ 100%, 61 kHz,

50.6

@ 10%, 125 kHz, Disminuir



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.



Figura 4.15: Temperatura del color vs. potencia en lámparas de vapor de sodio.



Figura 4.16: Temperatura del color vs. potencia en lámparas de halogenuros metálicos.



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 Dimming


LUCALOX

Vapor de sodio 10% al 100% 0 °K

@ 10%, 125 kHz

1993 °K

@ 100%, 60 Hz Incrementar

CERAMALUX


1744 °K

@ 10%, 60 Hz

1902 °K


CDM-TD


35% al 100% 2790 °K

@ 100%, 125 kHz

4511 °K


CDM-R


40% al 100% 2651 °K

@ 100%, 40 kHz

5639 °K

@ 40%, 60 Hz Disminuir

H39KC

Vapor de mercurio

10% al 100% 3699 °K

@ 60%, 10 kHz

4901 °K




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.


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.




Caracterización con control de intensidad luminosa (~10 % – 100 %)

Tendencia

Lámpara Resistencia equivalente promedio

Resistencia instantánea Eficacia

Índice de rendimiento

de color

Temperatura del color

LUCALOX

Vapor de sodio No hay Lineal Incrementar Incrementar Incrementar

CERAMALUX

Vapor de sodio No hay Lineal Incrementar Incrementar Incrementar

CDM-TD

Halogenuros Disminuir Parabólica Incrementar Incrementar Incrementar

CDM-R

Halogenuros Disminuir Parabólica Incrementar Incrementar Disminuir

H39KC

Vapor de mercurio

Parabólica Lineal Incrementar Disminuir Disminuir

En el siguiente capítulo se presentan los resultados de las pruebas de estabilidad

aplicadas a las lámparas de alta intensidad de descarga.





PPrruueebbaass eexxppeerriimmeennttaalleess ddee

eessttaabbiilliiddaadd

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


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 A Bydt

ω= − , (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 2 BVA

= , (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:

iyv

= , (5.3)

entonces i y v se descomponen en:

ˆi I i= + , ˆv V v= + . (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):


Capítulo 5. Pruebas experimentales de estabilidad

2 2( )( 1l

V sZ sI s AV A

=)+ −

(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 Bydt G i

= − , (5.6)

donde G(i) es una función monótona decreciente. La solución en estado estable es:

( )BV G IA

= . (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:

max

2 sVV = − R I . (5.8)

El modelo (5.8) es un caso específico de la ecuación (5.6) donde:

max( )2 s

VAG i R IB⎛ ⎞= −⎜⎝ ⎠

⎟ . (5.9)

La impedancia en pequeña señal se obtiene de la ecuación (5.6):

2'( ) / ( )( )/ ( )l

V s AVIG I G IZ sI s VA G I

+=

+. (5.10)



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.



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:

( )L B

1( )1 Z (s)/Z (s)L sI s I 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:



( ) 1( )

L

B

Z sZ 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.


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



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.

. . promedio

aparente

PF P

P= (5.13)

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.

max. .eficaz

IF CI

= (5.14)

Tabla 5.1: Procedimiento de las pruebas de estabilidad.

Pruebas de estabilidad



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.

1) Encender la lámpara a 130 kHz

2) Ajustar frecuencia de operación a 400 Hz

3) Desconectar ignitor

4) Ajustar frecuencia de operación para la prueba

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

Impedancia normalizada vs. CIL

Factor de potencia vs. CIL

Factor de cresta vs. CIL





tabla:

Tabla 5.2: Lámparas caracterizadas con control de intensidad luminosa.









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.



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.



Tabla 5.3: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en LU70.

Impedancia normalizada (RL/Rs) @ CIL

Lámpara CIL Valor 400 Hz 50 kHz Diferencia

Mínimo 0.44 @ 100% 0.49 @ 10% + 11.3% LUCALOX

Vapor de sodio

10% al

100% 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.



Figura 5.4: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en LU70.



Tabla 5.4: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en LU70.

Factor de potencia @ CIL


Mínimo 0.974 @ 10% 0.963 @ 10% - 1.1% LUCALOX

Vapor de sodio

10% al

100% 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.



Figura 5.5: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en LU70.



Tabla 5.5: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en LU70.

Factor de cresta de corriente @ CIL


Mínimo 1.00 @ 80% 1.048 @ 100% + 4.8% LUCALOX

Vapor de sodio

10% al

100% 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.



Figura 5.6: Impedancia normalizada vs. porcentaje de CIL en C100S54.





Tabla 5.6: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en C100S54.



Mínimo 0.25 @ 100% 0.25 @ 100% 0% CERAMALUX

Vapor de sodio

10% al

100% 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.



Figura 5.7: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en C100S54.



Tabla 5.7: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en C100S54.



Mínimo 0.981 @ 10% 0.979 @ 10% - 0.2% CERAMALUX

Vapor de sodio

10% al

100% 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.



Figura 5.8: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en C100S54.



Tabla 5.8: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en C100S54.



Mínimo 1.003 @ 10% 1.063 @ 10% + 5.6% CERAMALUX

Vapor de sodio

10% al

100% 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.



Figura 5.9: Impedancia normalizada vs. porcentaje de CIL en CDM-TD.





Tabla 5.9: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en CDM-TD.



Mínimo 0.57 @ 100% 0.62 @ 100% + 8% CDM-TD


35% al

100% 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.



Figura 5.10: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en CDM-TD.



Tabla 5.10: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en CDM-TD.



Mínimo 0.989 @ 55% 0.984 @ 35% - 0.5% CDM-TD


35% al

100% 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).



Figura 5.11: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en CDM-TD.



Tabla 5.11: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en CDM-TD.



Mínimo 1.00 @ 35% 1.014 @ 35% + 1.4% CDM-TD


35% al

100% 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.



Figura 5.12: Impedancia normalizada vs. porcentaje de CIL en CDM-R.





Tabla 5.12: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en CDM-R.



Mínimo 0.76 @ 100% 0.89 @ 100% + 14.6% CDM-R


40% al

100% 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 %.



Figura 5.13: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en CDM-R.



Tabla 5.13: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en CDM-R.



Mínimo 0.985 @ 40% 0.978 @ 55% - 0.7% CDM-R


40% al

100% 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.



Figura 5.14: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en CDM-R.



Tabla 5.14: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en CDM-R.



Mínimo 1.00 @ 100% 1.032 @ 70% + 3.2% CDM-R


40% al

100% 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.



Figura 5.15: Impedancia normalizada vs. porcentaje de CIL en H39KC.





Tabla 5.15: Síntesis de las gráficas de impedancia normalizada en H39KC.



Mínimo 0.6 @ 10% 0.65 @ 10% + 8.3% H39KC

Vapor de mercurio

10% al

100% 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.



Figura 5.16: Factor de potencia de lámpara vs. porcentaje de CIL en H39KC.



Tabla 5.16: Síntesis de las gráficas de factor de potencia en H39KC.



Mínimo 0.99 @ 10% 0.985 @ 30 % - 0.5% H39KC

Vapor de mercurio

10% al

100% 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.



Figura 5.17: Factor de cresta de lámpara vs. porcentaje de CIL en H39KC.



Tabla 5.17: Síntesis de las gráficas de factor de cresta de corriente en H39KC.



Mínimo 1.00 @ 30% 1.038 @ 10 % + 3.8% H39KC

Vapor de mercurio

10% al

100% 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.


Lámpara

Parámetro LUCALOX

Vapor de sodio

CERAMALUX

Vapor de sodio

CDM-TD


CDM-R


H39KC

Vapor de mercurio

RL

@ Pnominal77.7 Ω 24.6 Ω 93.2 Ω 124.4 Ω 91.4 Ω

RL(max)

@ CIL

153.4 Ω

@ 30%

35.1 Ω

@ 30%

336 Ω

@ 35%

362 Ω

@ 40%

129.4 Ω

@ 30%

RS(min)

@ CIL

53 Ω

@ 80%

15 Ω

@ 100%

27 Ω

@ 85%

51 Ω

@ 55%

64 Ω

@ 30%

Parámetro Lámpara



LUCALOX

Vapor de sodio

CERAMALUX

Vapor de sodio

CDM-TD


CDM-R


H39KC

Vapor de mercurio

400Hz 50kHz 400Hz 50kHz 400Hz 50kHz 400Hz 50kHz 400Hz 50kHz (RL/RS)max

@ CIL 1.54 @ 30%

1.99 @ 30%

2.27 @ 30%

2.34 @ 30%

3.86 @ 85%

4.26 @ 85%

4.56 @ 55%

4.72 @ 55%

1.89 @ 30%

1.95 @ 30%

Max .999 @100%

.998 @ 100%

1 @100%

.994 @ 100%

.998 @100%

.998 @ 100%

1 @100%

1 @100%

1 @ 80%

1 @ 80% Factor de

potencia Min

.974 @ 10%

.963 @ 10%

.981 @ 10%

.979 @ 10%

.989 @ 55%

.984 @ 35%

.985 @ 40%

.978 @ 55%

.99 @ 10%

.985 @ 10%

Max 1.07 @ 10%

1.09 @ 30%

1.04 @50%

1.15 @ 50%

1.06 @ 55%

1.08 @ 55%

1.34 @ 55%

1.14 @ 40%

1.02 @ 80%

1.09 @ 80% Factor de

cresta Min

1 @ 80%

1.04 @ 100%

1 @ 10%

1.06 @ 10%

1 @ 35%

1.05 @ 35%

1 @ 55%

1.03 @ 70%

1 @ 30%

1.03 @ 10%

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.



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.



AAnnáálliissiiss ccoommppaarraattiivvoo ddee rreessuullttaaddooss

ddee ccaarraacctteerriizzaacciióónn ccoonn CCIILL

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


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.


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.



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


Comparación contra FP y FC unitario

Mín Dif. (%) Max Dif.

(%) Mín Dif. (%) Max Dif.

(%)

Factor de potencia @CIL

0.963

@15% -3.7 %

0.991

@100%-0.9%

0.985

@10% -1.5 %

0.998

@100% -0.2 %

Factor de cresta @CIL

1.53

@42% +53 %

1.68

@18% +68 %

1.00

@80% 0 %

1.05

@10% +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,



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.



Figura 6.6: Tensión vs. corriente en la lámpara CERAMALUX – C100S54.

Figura 6.7: Factor de potencia vs. CIL en la lámpara CERAMALUX – C100S54.



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


Potencia vs. corriente Tendencia lineal Tendencia lineal







(%)


0.97

@12% -3.0 %

0.994

@70% -0.6%

0.991

@30% -0.9 %

1.00

@80% 0 %


1.64

@42% +64 %

1.76

@18% +76 %

1.01

@80% +1 %

1.05

@10% +5 %



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.



Figura 6.10: Tensión vs. corriente en la lámpara CDM-TD.

Figura 6.11: Factor de potencia vs. CIL en la lámpara CDM-TD.



Figura 6.12: Factor de cresta vs. CIL. en la lámpara CDM-TD.


halogenuros metálicos CDM-TD.

Tabla 6.3: Comparación de datos en la lámpara CDM-TD.

CDM-TD 70 W



Tensión vs. corriente Tendencia parabólica Tendencia parabólica




(%)


0.962

@49% -3.8 %

0.993

@78% -0.7%

0.992

@35% -0.8 %

0.997

@100% -0.3 %


1.59

@45% +59 %

1.67

@54% +67 %

1

@35% 0 %

1.05

@55% +5 %



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.



Figura 6.14: Tensión vs. corriente en la lámpara CDM-R.

Figura 6.15: Factor de potencia vs. CIL en la lámpara CDM-R.



Figura 6.16: Factor de cresta vs. CIL. en la lámpara CDM-R.


halogenuros metálicos CDM-R.

Tabla 6.4: Comparación de datos en la lámpara CDM-R.

CDM-R 70 W



Tensión vs. corriente Tendencia parabólica Tendencia parabólica




(%)


0.982

@32% -1.8 %

0.997

@81% -0.3%

0.991

@40% -0.9 %

1.0

@100%0 %


1.15

@32% +15 %

1.62

@108%+62 %

1.00

@100% 0 %

1.03

@40% +3 %



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.




Figura 6.18: Tensión vs. corriente en las lámparas vapor de mercurio.


Figura 6.19: Factor de potencia vs. CIL en las lámparas vapor de mercurio.




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



Tensión vs. corriente No existe una tendencia definida La tensión se incrementa al aumentar

la corriente

Comparación contra FP y FC

unitario Mín Dif.

(%) Max Dif. (%) Mín Dif. (%) Max Dif. (%)


0.965

@10% -3.5 %

0.998

@150%-0.2%

0.991

@100%

-0.9 % 1.002

@80% +0.2 %


1.53 @100%

+53 % 1.75

@12% +75 %

1.00

@30% 0 %

1.018

@40% +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.



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


Potencia

vs. corriente




Ondas cuadradas Cuad Sin Cuad Sin

Ondas sinusoidales Forma de onda

Tendencia Tendencia Min Max Dif Min Max Dif

0.985 @10%

0.998 @100%

1.3% 1.00 @80%

1.05 @10%

5% LU70

Vapor de sodio

Lineal

La tensión se incrementa al aumentar la

corriente 0.963 @15%

0.991 @100%

2.9% 1.53 @42%

1.68 @18%

9.8%

0.991 @30%

1.00 @80%

0.9% 1.01 @80%

1.05 @10%

4% C100S54

Vapor de sodio

Lineal


corriente 0.97 @12%

0.994 @70%

0.2% 1.64 @42%

1.76 @18%

12%

0.992 @35%

0.997 @100%

0.5% 1.00 @35%

1.05 @55%

5% CDM-TD


Lineal Parabólica 0.962 @49%

0.993 @78%

3.1% 1.59 @45%

1.67 @54%

8%

0.991 @40%

1.0 @100%

0.9% 1.00 @100%

1.03 @40%

3% CDM-R


Lineal Parabólica 0.982 @32%

0.997 @81%

1.5% 1.15 @32%

1.62 @108%

46%



Ondas sinusoidales Ondas sinusoidales H38JA

Vapor de mercurio Lineal No tiene 0.965

@10% 0.998 @150%

3.3% 1.53 @100%

1.75 @12%

22%

Ondas cuadradas Ondas cuadradas H39KC

Vapor de mercurio Lineal


corriente

0.991 @100%

1.002 @80%

1.1% 1.00 @30%

1.018 @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.



CCoonncclluussiioonneess yy TTrraabbaajjooss

ccoommpplleemmeennttaarriiooss

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


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.


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.


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



lámpara y si representa un cambio significativo debido a que cambia la sensación visual que

generan estas lámparas.

7.1.3

7.1.4

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.

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.


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.



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.


AAnneexxoo 11

LLáámmppaarraass ddee ddeessccaarrggaa

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


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


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.

Material desellado

Sodio +Mercurio

Alúminapolicristalina

Tapa deniobio ocerámica

Níquel

Gueter deBario-Alumino

AceroInoxidable

Lámina deacero-níquel

Tungsteno

Titanio

Niobio

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



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 deconducción ysoporte

Resistencia deencendido

Electrodo deencendido

Electrodos deoperación

Tubo dedescarga

Recubriemientointerior defósforo

Bulboexterior

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


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.



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.


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.



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


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.

Figura An.5: Arcos de descarga en una LAID operada co

Existen varios métodos para detectar la presencia de

operación de una LAID. Uno de los más complejos es el m

determina la presencia de las resonancias acústicas por medi

fotográfica (Figura An.6).

Eumir Deidier Enríquez Douriet

a)

b)

n un balastro electrónico.

resonancias acústicas en la

étodo fotogalvánico, el cual

o de técnicas de visualización

135


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


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



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.

C1C2D1

D2Vm 2Vm

a)

C1D1 D2Vm

2Vm

b)

C2

C3

C4

4Vm

2Vm

D3 D4

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


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

An. 1.5.4

An. 1.5.5

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.

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.

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



compuesto de pocos elementos. El circuito de disparo puede ser construido con un

interruptor bimetálico con el principio que se explicó anteriormente.

BalastroCircuito de

Disparo

Ns

Np

Lámpara

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

Balastro

a)

Ignitor

Balastro

c)b)

Balastro

Ignitor

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.


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.




AAnneexxoo 22

PPrrooggrraammaa ddeell PPIICC1166FF887766

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


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


Anexo 2

nop nop nop nop nop nop nop nop bcf PORTB,2 ; nop nop nop bsf PORTB,4 ; nop nop nop nop nop nop nop nop nop nop nop decfsz TEMP,1 ;Se enviaron 6 pulsos de activación (130 kHz) goto ENCD1 ;NO... salta a la rutina de encendido ;SI... continúa el programa bsf PORTB,1 ;Deshabilita el inversor bsf STATUS,RP0 ;Selección del Banco 1 movlw b'10000110' ;Divisor del TMR0 = 128 movwf OPTION_REG ; bcf STATUS,RP0 ;Selección del Banco 0 movlw .207 ;Mover a W el valor que se cargará al TMR0 bcf INTCON,2 ;Despejar la bandera por desbordamiento TMR0 ;RUTINA PARA OPERACIÓN ESTABLE DEL INVERSOR, DE INICIO SE

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



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


Anexo 2

retlw 0x84 retlw 0x84 retlw 0x84 retlw 0x84 retlw 0x84 retlw 0x83 retlw 0x83 retlw 0x83 retlw 0x83 retlw 0x83 retlw 0x83 retlw 0x83 retlw 0x83 retlw 0x83 retlw 0x83 retlw 0x82 retlw 0x82 retlw 0x82 retlw 0x82 retlw 0x82 retlw 0x82 retlw 0x82 retlw 0x82 retlw 0x82 retlw 0x82 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x81 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80

retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80



retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80


Anexo 2

retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80

retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80 retlw 0x80

TABLA_2 bsf PCLATH,1 addwf PCL,1 ;El PC apunta a la dirección de la tabla retlw .93 retlw .61 retlw .158 retlw .191 retlw .207 retlw .217 retlw .223 retlw .228 retlw .231 retlw .234 retlw .236 retlw .185 retlw .191 retlw .196 retlw .200 retlw .204 retlw .207 retlw .210 retlw .213 retlw .215 retlw .217 retlw .182 retlw .185 retlw .188 retlw .191 retlw .194 retlw .196 retlw .198 retlw .200 retlw .202 retlw .204

retlw .155 retlw .158 retlw .161 retlw .164 retlw .167 retlw .169 retlw .172 retlw .174 retlw .176 retlw .178 retlw .104 retlw .107 retlw .111 retlw .114 retlw .117 retlw .120 retlw .123 retlw .126 retlw .129 retlw .131 retlw .133 retlw .136 retlw .138 retlw .140 retlw .142 retlw .144 retlw .146 retlw .148 retlw .150 retlw .152



retlw .143 retlw .51 retlw .144 retlw .54 retlw .145 retlw .58 retlw .146 retlw .61 retlw .147 retlw .64 retlw .148 retlw .67 retlw .149 retlw .69 retlw .150 retlw .72 retlw .151 retlw .75 retlw .152 retlw .77 retlw .153 retlw .80 retlw .154 retlw .82 retlw .155 retlw .85 retlw .156 retlw .87 retlw .157 retlw .89 retlw .158 retlw .92 retlw .159 retlw .94 retlw .160 retlw .96 retlw .161 retlw .98 retlw .162 retlw .100 retlw .163 retlw .102 retlw .164 retlw .104 retlw .165 retlw .105 retlw .166 retlw .107 retlw .167 retlw .109 retlw .168 retlw .111 retlw .169 retlw .112 retlw .170 retlw .114 retlw .171 retlw .116 retlw .172 retlw .117 retlw .173 retlw .119 retlw .174 retlw .120 retlw .175 retlw .122 retlw .176 retlw .123 retlw .177 retlw .124 retlw .178 retlw .126 retlw .179 retlw .127 retlw .180 retlw .128 retlw .181 retlw .130 retlw .182 retlw .131 retlw .183 retlw .132 retlw .184 retlw .133 retlw .185 retlw .134 retlw .186 retlw .135 retlw .187 retlw .136 retlw .188 retlw .137 retlw .189 retlw .138 retlw .190 retlw .139 retlw .191 retlw .140 retlw .192 retlw .141 retlw .193 retlw .142


Anexo 2

retlw .245 retlw .194 retlw .246 retlw .195 retlw .247 retlw .196 retlw .248 retlw .197 retlw .249 retlw .198 retlw .250 retlw .199 retlw .251 retlw .200 retlw .252 retlw .201 retlw .253 retlw .202 retlw .254 retlw .203 retlw .255 retlw .204 retlw .206 retlw .205 retlw .206 retlw .206 retlw .206 retlw .207 retlw .206 retlw .208 retlw .206 retlw .209 retlw .206 retlw .210 retlw .206 retlw .211 retlw .206 retlw .212 retlw .206 retlw .213 retlw .206 retlw .214 retlw .206 retlw .215 retlw .206 retlw .216 retlw .206 retlw .217 retlw .206 retlw .218 retlw .206 retlw .219 retlw .206 retlw .220 retlw .206 retlw .221 retlw .206 retlw .222 retlw .206 retlw .223 retlw .206 retlw .224 retlw .206 retlw .225 retlw .206 retlw .226 retlw .206 retlw .227 retlw .206 retlw .228 retlw .206 retlw .229 retlw .206 retlw .230 retlw .206 retlw .231 retlw .206 retlw .232 retlw .206 retlw .233 END retlw .234 retlw .235 retlw .236 retlw .237 retlw .238 retlw .239 retlw .240 retlw .241 retlw .242 retlw .243 retlw .244


Anexo 2


AAppéénnddiiccee 11

DDiiaaggrraammaass eellééccttrriiccooss

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


Ap. 1.1 Diagrama del sistema de control con PIC16F876

Figura Ap.1: Diagrama eléctrico del sistema con PIC16F876.


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”



Ap. 1.2 Diagrama del inversor puente completo

Figura Ap.2: Inversor puente completo.


Apéndice 1

Tabla Ap.2: Lista de partes del inversor puente completo.


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



Ap. 1.3 Diagrama del circuito de medición de resonancias acústicas

Figura Ap.3: Medidor de resonancias acústicas.


Apéndice 1

Tabla Ap.3: Lista de partes del medidor de resonancias acústicas.


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



R12 Potenciómetro 5 KΩ



R15 Resistencia película de carbón 440 KΩ


A, B, C, D Amplificador operacional dual TL082




AAppéénnddiiccee 22

LLiissttaaddoo ddee ffiigguurraass,, ttaabbllaass yy

ssiimmbboollooggííaa

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


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 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 4.9: Eficacia vs. potencia en lámparas de vapor de sodio. 47

Figura 4.10: Eficacia vs. potencia en lámparas de halogenuros metálicos. 48


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



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. 129


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 138

Figura An.8: Ignitor típico. 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



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






Capítulo 5 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


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


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


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



Ap. 2.3 Nomenclatura y simbología

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


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



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

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


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Eumir Deidier... · Tabla de Contenido Resumen de la tesis v Summary ix Introducción xiii CAPÍTULO 1: CONCEPTOS EN ILUMINACIÓN 1 1.1 Conceptos generales 2 1.1.1 Luminiscencia 2