"BALASTRO ELECTRóNICO PARA UNA LAMPARA DE DESCARGA PE ALTA INTENSIDAD"

CAMPO DE LA INVENCIóN

La presente invención está relacionada con las técnicas utilizadas en el diseño de dispositivos eléctricos y electrónicos para operar lámparas y, más específicamente, está relacionada con un balastro electrónico para lámparas de descarga de alta intensidad (HID) que incorpora un circuito de control que opera Ia lámpara de acuerdo con un perfil de potencia establecido por el usuario con el objetivo de ahorrar energía.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN

El término "Descarga de Alta Intensidad" (HID por sus siglas en inglés), se utiliza para describir cualquier sistema de iluminación que utiliza una lámpara de arco que se encuentra rellena por un gas. Estas lámparas son clasificadas de acuerdo con el tipo de gas que se encuentra dentro de ellas, las hay de mercurio, de sodio, etc.

El arco eléctrico que se produce entre los dos electrodos principales de una lámpara HID se puede ver como un corto circuito que se mantiene indefinidamente. Una vez que existe suficiente voltaje dentro de Ia lámpara, los gases son ionizados hasta que ellos mismos conduzcan Ia corriente. En este sentido, es ampliamente sabido que Ia formación del arco no es un proceso inmediato, el encendido de Ia lámpara puede tomar varios segundos para que el arco sea establecido, y varios minutos más para calentar Ia lámpara y alcanzar su nivel pleno de iluminación.

Las lámparas HID son dispositivos de impedancia negativa, esto significa que a menos que sean controladas, Ia corriente continuaría incrementándose ocasionando que Ia lámpara falle casi instantáneamente después de encenderse. Debido a Io anterior, en cada lámpara HID es necesario Ia utilización de un balastro, que es un dispositivo limitador de corriente. Un balastro tiene tres funciones principales las cuales son i) proveer el voltaje adecuado para el encendido de Ia lámpara; ¡i) suministrar el voltaje adecuado para operar Ia lámpara; y, iii) limitar Ia corriente de Ia lámpara hasta un nivel preestablecido para no afectarla.

Las lámparas HID son utilizadas en un gran número de aplicaciones, siendo las principales Ia iluminación pública y Ia iluminación en espacios donde el techo se encuentra a un nivel considerablemente elevado con respecto a las personas u objetos del piso, toda vez que las lámparas HID ofrecen una mejor iluminación sobre grandes distancias en comparación con las lámparas fluorescentes.

Por mucho tiempo, las lámparas HID fueron operadas mediante balastros ferromagnéticos los cuales presentaban un gran desperdicio de energía, sin embargo, debido al desarrollo de Ia electrónica y los circuitos integrados, se han venido desarrollando balastro electrónicos que tienen un menor peso que los balastros ferromagnéticos tradicionales, pero sobre todo, los balastros electrónicos han sido diseñados para lograr un encendido más confiable de Ia lámpara y reducir los desperdicios de energía. Además, los balastros electrónicos conocidos en Ia actualidad también permiten tener Ia posibilidad de variar a voluntad y de manera controlada Ia potencia suministrada a Ia lámpara para Ia emisión luminosa de Ia misma, es decir, el "DIMMING".

Un ejemplo de un balastro electrónico se puede encontrar en Ia patente Estadounidense No. 6,707,263 B1 donde se describe un balastro diseñado para operar redes de iluminación integradas por lámparas HID, donde se tiene que reemplazar alguna lámpara averiada. Asimismo, en Ia patente Estadounidense 6,841 ,951 B2, se describe un balastro electrónico configurado en una sola etapa de operación, es decir, reduciendo componentes y dispositivos electrónicos.

Un ejemplo adicional de un balastro electrónico se encuentra descrito en Ia solicitud de patente Norteamericana No. US/2006/017593, Ia cual se refiere a un balastro electrónico donde el DIMMING se controla mediante un software. De manera similar, en Ia patente Norteamericana No. 7,049,768 B1 , también se provee un balastro donde el DIMMING es controlado de manera electrónica con el objetivo de que el color de Ia luz emitida por Ia lámpara sea el adecuado.

Por otra parte, es conveniente mencionar que, tradicionalmente, Ia intensidad de Ia luz emitida por las lámparas HID del alumbrado público y aquellas utilizadas en instalaciones Industriales se mantiene constante después del calentamiento y hasta cuando Ia lámpara se apaga, generalmente al amanecer.

Sin embargo, esta operación tradicional representa un desperdicio de energía toda vez que, como es sabido, el movimiento de personas y vehículos es intenso durante las primeras horas de Ia noche y unas horas antes del amanecer, pero el resto de Ia noche es escaso. Pocos balastros y dispositivos han tomado en cuenta este hecho, es decir, no es necesario que las lámparas HID operen a un 100% de su capacidad de iluminación durante toda Ia noche. Desde otro punto de vista, no se ha previsto que, en determinadas horas de Ia noche, las lámparas HID podrían emitir su luz a una capacidad reducida pero aún cumpliendo con los límites establecidos de iluminación, esto naturalmente se traduciría como un ahorro de energía, sobre todo en los sistemas de

iluminación pública, ahorrando dinero a las autoridades y, por supuesto, a los contribuyentes.

En Ia solicitud de patente internacional PCT/MX2003/000079 se describe un dispositivo ahorrador de energía cuyo uso se encuentra limitado a lámparas de vapor de sodio, Io cual representa una gran desventaja dado a que existen otros tipos de lámparas HID utilizadas en el alumbrado público y otras aplicaciones cotidianas. A grandes rasgos, el ahorro de energía propuesto por dicho documento está condicionado a lo siguiente: 1) el empleo de una lámpara de descarga de muy alta eficacia lumínica, específicamente, una lámpara de vapor de sodio de alta eficacia lumínica; 2) el empleo de un balastro electrónico de alta eficiencia con alto factor de potencia que encienda Ia lámpara sin necesidad de un ignitor adicional; y, c) un método de operación que consiste en Ia disminución de Ia intensidad luminosa proporcionada a Ia lámpara a altas horas de Ia noche.

Para lograr el ahorro de energía, el dispositivo simplemente atenúa Ia intensidad luminosa de Ia lámpara variando el punto de operación de Ia misma durante un tiempo predeterminado cuando Ia noche está avanzada. Por supuesto, una gran limitante de este balastro es el hecho de que, Ia duración de los días y las noches no es constante durante el año en distintas latitudes del globo terráqueo, por Io cual, el ahorro de energía que logra este dispositivo no es el óptimo.

El dispositivo de Ia solicitud PCT '079, se encentra construido a base de una topología de circuitos bastante tradicional, y tal como se mencionó, el ahorro de energía se concreta al reducir temporalmente el flujo luminoso de dicha lámpara de vapor de sodio.

Más aún, durante el funcionamiento del dispositivo de Ia solicitud PCT '079, Ia frecuencia de operación se encuentra muy cercana a Ia frecuencia de resonancia acústica del circuito resonante por Io que se busca evitarla, para ello, el dispositivo utiliza una técnica bien conocida en el arte que es Ia técnica de modulación de Ia frecuencia de operación del circuito inversor. En este sentido, no está por demás mencionar que las lámparas de vapor de sodio presentan el fenómeno de resonancia acústica en un rango bien definido de frecuencias, por Io que resulta trivial llevar al cabo Ia técnica de modulación y reducir Ia intensidad luminosa de Ia lámpara para ahorrar energía.

Adicionalmente, para detectar los estados del día y de Ia noche, el dispositivo de Ia solicitud PCT '079 utiliza un transformador de corriente bastante convencional conectado a un microprocesador que es el que ordena el encendido, para Ia ignición se utiliza un barrido de frecuencias de +- 5% alrededor de Ia frecuencia de ignición, por Io

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que en caso de no encender Ia lámpara, se requiere tomar una acción de apagado del inversor para no dañar Ia lámpara.

El dispositivo de PCT '079, fue modificado ligeramente en la solicitud de patente Mexicana PA/a/MX2005/011674 a fin de proveerlo con una medición de Ia potencia de salida que compensa variaciones de voltaje que se presentan por envejecimiento de Ia lámpara y/o por calentamiento de Ia misma con el propósito de llegar al resultado de ahorro de energía programado en el microprocesador. Sin embargo, a pesar de esta modificación, el dispositivo de Ia solicitud '674 no optimiza el ahorro de energía, es decir, se encuentra limitado porque las atenuaciones en Ia intensidad luminosa son fijas, además, su uso se encuentra sumamente condicionado a lámparas de vapor de sodio de alta eficacia lumínica.

Tal como se mencionó, existen lugares situados en determinadas latitudes de Ia tierra en los cuales Ia duración de Ia noche varía entre una estación y otra, y específicamente en el invierno, Ia duración de Ia noche es muy larga, de tal manera que los sistemas de iluminación pública al funcionar a una capacidad plena de iluminación durante toda Ia noche desperdician energía que bien podría ser aprovechada para otros usos por ejemplo, calefacción, Io anterior no se ha realizado debido a que tener un control centralizado para operar una red extensa de lámparas HID representaría una gran inversión. Incluso, Ia operación de Ia lámpara pudiera hacerse más eficiente si se considera que Ia hora de salida y puesta del sol en un lugar determinado varía de un día a otro.

Por Io tanto, se hace necesario un balastro para lámparas HID que pueda cubrir esta necesidad de operación de acuerdo con un perfil de potencia establecido por el usuario, y que esa operación se realice preferiblemente de manera autónoma en cada lámpara. Adicionalmente, se debe procurar maximizar Ia vida útil de Ia lámpara HID de que se trate realizando un encendido, operación y apagado confiable de Ia misma.

BREVE DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

De conformidad con Io anterior, se ha buscado suprimir los inconvenientes de los balastros electrónicos del arte previo, desarrollando un balastro electrónico para una lámpara de descarga de alta intensidad, cuya operación sigue un perfil de potencia predeterminado por el usuario con el propósito de ahorrar energía. El balastro electrónico de Ia presente invención comprende una serie de circuitos que se interconectan y funcionan de una forma particular, a saber, existe un circuito rectificador que recibe corriente alterna (CA) de una fuente de corriente alterna y Ia convierte en corriente directa (CD); un circuito corrector de factor de potencia (PFC) que incrementa el voltaje de Ia

corriente directa (CD) que sale de dicho circuito rectificador y reduce Ia distorsión armónica total; un circuito convertidor de corriente que recibe Ia corriente directa (CD) de alto voltaje que sale del circuito corrector de factor de potencia y Ia convierte en corriente alterna (CA) de alta o baja frecuencia, Ia cual es suministrada a Ia lámpara de descarga de alta intensidad que se desea operar.

Además, en el balastro de Ia presente invención, existe un circuito de ignición que genera pulsos de ignición que son alimentados al circuito convertidor de corriente para el encendido de Ia lámpara, los pulsos de ignición son generados de acuerdo con un barrido descendente de frecuencias a una fracción de Ia potencia nominal de Ia lámpara para asegurar el encendido de Ia lámpara; y, finalmente, existe un circuito de control en conexión con el circuito de ignición y el circuito convertidor de CD a CA, en donde el circuito de control inicia Ia operación del circuito de ignición para el encendido de Ia lámpara y además controla Ia potencia que se suministra hacia Ia lámpara desde su encendido hasta su apagado de acuerdo con un perfil de potencia almacenado en el circuito de control y está determinado por las condiciones de iluminación que el usuario desea obtener de dicha lámpara con el objetivo de ahorrar energía.

En otra modalidad del balastro, este incluye una fuente de poder auxiliar para alimentar a los controladores y circuitos electrónicos del circuito corrector de factor de potencia, el circuito convertidor, el circuito de ignición y el circuito de control para así asegurar Ia operación del balastro, es decir, asegurar que las funciones del balastro pueden ser iniciadas y ejecutadas en el momento en que se requieran.

El perfil de potencia se encuentra integrado por una serie de etapas que duran un tiempo determinado, en cada una de ellas el balastro entrega a Ia lámpara una mayor o menor potencia, el inicio y el final de cada etapa es ordenada por el circuito de control. En una modalidad preferida Ia duración de las etapas es invariable entre una noche y Ia siguiente.

En otra modalidad preferida, el circuito de control comprende un microcontrolador programable con una memoria no volátil en Ia cual se almacenan los datos del tiempo de funcionamiento de Ia lámpara desde su encendido hasta su apagado en una noche, dicho microcontrolador ajusta automáticamente Ia duración de cada una de las etapas del perfil de potencia que se llevará al cabo Ia noche siguiente, Io cual es sumamente útil en sitios donde Ia duración de Ia noche varia de una estación a otra. En palabras más concretas, el balastro aprende de Ia duración de cada noche.

En un aspecto de Ia invención, se provee un método de operación de un balastro para una lámpara HID, el método de operación comprende las etapas de detectar el estado de oscuridad donde inicia Ia noche; luego, establecer un perfil de potencia que el

balastro debe suministrar hacia Ia lámpara durante Ia noche. En este sentido, el perfil de potencia comprende una serie de etapas de potencia, cada una de ellas teniendo un valor de potencia que el balastro debe suministrar hacia Ia lámpara, así como un tiempo de duración que puede ser recalculado con los datos de Ia duración de por Io menos una noche previa. Para obtener Ia duración de las etapas, Ia duración promedio de Ia noche se divide en un número determinado de etapas o segmentos de potencia; en los cuales se va a aplicar una atenuación de Ia intensidad de Ia luz, reduciéndose en consecuencia el consumo de energía de acuerdo con Ia potencia entregada en Ia etapa correspondiente. Asimismo, se prefiere que Ia intensidad luminosa de Ia lámpara sea mayor durante las etapas cercanas al anochecer y al amanecer, y sea menor durante las etapas intermedias de Ia noche.

Una vez establecido el perfil de potencia a ejecutar por el balastro, el método comprende Ia etapa de encender Ia lámpara mediante un barrido descendente de frecuencias, el barrido descendente siendo realizado desde una frecuencia mayor a Ia frecuencia de ignición de Ia lámpara hasta una frecuencia de calentamiento de Ia misma y se ejecuta a una fracción de Ia potencia nominal de Ia misma. Una vez encendida, Ia lámpara es precalentada y se ejecutan las etapas del perfil de potencia. Dentro del método también se verifica Ia ejecución de todas las etapas del perfil y se detecta si ha amanecido, en caso de que esto ocurra Ia lámpara es apagada, y finalmente se calcula Ia duración de Ia noche para que el valor calculado sea almacenado y pueda ser tomado en cuenta para recalcular Ia duración de las etapas del perfil de potencia que el balastro debe ejecutar en Ia noche siguiente.

En vista de Io anterior, se puede mencionar que un objeto de Ia presente invención es proveer un balastro electrónico que permita operar una lámpara HID con un ahorro de energía y con un encendido confiable.

BREVE DESCRIPCIóN DE LAS FIGURAS

Los aspectos novedosos que se consideran característicos de Ia presente invención, se establecerán con particularidad en las reivindicaciones anexas. Sin embargo, Ia invención misma, tanto por su estructura así como por su modo de operación, conjuntamente con otros objetos y ventajas de Ia misma, se comprenderá mejor en Ia siguiente descripción detallada de una modalidad preferida, cuando se lea en relación con los dibujos que se acompañan, en los cuales:

La Figura 1 es un diagrama de bloques de los circuitos que integran a un balastro electrónico configurado de acuerdo con una modalidad preferida de Ia presente invención.

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La Figura 2 es un diagrama de los circuitos electrónicos del balastro electrónico de acuerdo con el diagrama de bloques ilustrado en Ia Figura 1.

La Figura 3 es el diagrama del circuito rectificador y del circuito corrector de factor de potencia (PFC) del balastro electrónico de Ia Figura 2.

La Figura 4 es el diagrama del circuito convertidor de corriente directa a comente alterna de alta o baja frecuencia del balastro electrónico de Ia Figura 2.

La Figura 5 es el diagrama del circuito de ignición del balastro electrónico de Ia Figura 2.

La Figura 6 es el diagrama del circuito de control del balastro electrónico de Ia Figura 2.

La Figura 7 es el diagrama del circuito de Ia fuente de poder auxiliar del balastro electrónico de Ia Figura 2.

La Figura 8 es un diagrama de flujo que ilustra una modalidad preferida del método de operación de un balastro electrónico para operar una lámpara HID.

La Figura 9 es una curva de operación típica del perfil de potencia entregada por el balastro de Ia presente invención hacia una lámpara HID durante una operación nocturna.

La Figura 10 es una gráfica que ilustra el tiempo transcurrido durante una noche y el porcentaje de Ia potencia que suministra el balastro a una lámpara HID.

DESCRIPCIóN DETALLADA DE LA INVENCIóN

Haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, y más específicamente, a Ia Figura 1 de los mismos, en ella se representa un diagrama de bloques de un balastro electrónico 10 que se encuentra configurado de acuerdo con una modalidad preferida de Ia presente invención, esta modalidad debe considerarse ilustrativa más no limitativa de Ia invención. El balastro electrónico 10 comprende un circuito rectificador 20 que recibe corriente alterna (CA) de una fuente de corriente alterna 30, por ejemplo del sistema de electricidad pública y Ia convierte en corriente directa (CD), Ia cual es recibida por un circuito corrector de factor de potencia 40 (PFC por sus siglas en inglés) que incrementa el voltaje de Ia corriente directa (CD) que sale de dicho circuito rectificador 20 y reduce Ia distorsión armónica total.

La corriente directa de alto voltaje que sale del circuito corrector de factor de potencia 40 es recibida por un circuito convertidor 50 de corriente directa (CD) a corriente alterna (CA) de alta o baja frecuencia, misma que es suministrada hacia una lámpara 60 de descarga de alta intensidad tanto para su encendido así como durante su operación.

En el diagrama de bloques ilustrado en Ia Figura 1, también se representa un circuito de ignición 70 que genera pulsos de ignición que son alimentados al circuito convertidor 50 para el encendido de Ia lámpara 60, estos pulsos de ignición son generados de acuerdo con un barrido descendente de frecuencias para asegurar el encendido de Ia lámpara 60.

Una parte fundamental del balastro electrónico 10 es el circuito de control 80 que se encuentra en conexión con el circuito de ignición 70 y con el circuito convertidor 50. Cuando el circuito de control 80 detecta las condiciones de iluminación exteriores requeridas para el encendido de Ia lámpara 60, por ejemplo, cuando empieza a caer Ia noche, dicho circuito de control 80 inicia Ia operación del circuito de ignición 70 para que éste genere los pulsos de ignición y encienda Ia lámpara 60. Además, el circuito de control 80 controla Ia potencia que se suministra hacia dicha lámpara 60 desde que se logra su encendido hasta su apagado, por ejemplo, cuando empieza a amanecer. El circuito de control 80 hace que Ia potencia sea suministrada hacia Ia lámpara de acuerdo con un perfil de potencia determinado por las condiciones de iluminación que un usuario desea obtener de dicha lámpara durante el horario de funcionamiento de Ia misma, en otras palabras, durante Ia noche, el circuito puede ordenar que Ia lámpara opere a potencia plena o bien reduzca o aumente gradualmente o bien mantenga su luminosidad por un tiempo determinado.

Finalmente, en Ia Figura 1, se puede notar al bloque 90 que es una fuente de poder auxiliar, Ia cual se alimenta directamente de Ia fuente de corriente alterna 30 y su función es suministrar los voltajes regulados necesarios para mantener alimentados a los microcontroladores y circuitos integrados de los circuitos principales del balastro electrónico, es decir los circuitos 40, 50, 70 y 80.

Ahora, se hace referencia a Ia Figura 2, que ilustra un diagrama detallado de los circuitos electrónicos del balastro electrónico 10 de acuerdo con Ia figura previa, los circuitos principales se encuentran enmarcados mediante una línea discontinua a fin de delimitarlos, a excepción del circuito rectificador 20 que se representa mediante un bloque dentro del circuito corrector de factor de potencia 40. Además de los circuitos 20 y 40, en Ia Figura 2, se puede notar a Ia fuente de corriente alterna 30, el circuito convertidor de corriente directa (CD) a corriente alterna (CA) de alta o baja frecuencia 50, Ia lámpara HID 60, el circuito de ignición 70 y el circuito de control 80.

Para empezar a describir cada uno de los circuitos del balastro de Ia modalidad preferida que se describe, primero se hace referencia a Ia Figura 3, donde se muestran de manera conjunta Ia fuente de corriente alterna 30, el circuito rectificador 20 y el circuito PFC 40, de los cuales se puede mencionar que Ia fuente de corriente alterna 30

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suministra dicha corriente alterna hacia el balastro a través de las líneas de Ia red pública de electricidad que tradicionalmente se encuentra a un voltaje de 120/220 VCA y una frecuencia de 60 Hz. La corriente alterna (CA) es alimentada por una parte al circuito rectificador 20, y por otra, se alimenta a Ia fuente de poder auxiliar en los puntos de interconexión A y B.

El circuito rectificador 20 consiste de manera preferida en un puente rectificador de onda completa, cuya topología es ampliamente conocida para los técnicos en Ia materia, y se forma generalmente por cuatro diodos arreglados de tal manera que, dependiendo del semiciclo en el cual se encuentre Ia corriente alterna, un par de diodos conducirá Ia corriente y, en el semiciclo contrario, los otros dos diodos hacen Io mismo, consiguiendo que a Ia salida del circuito rectificador 20 exista una señal de voltaje con todos los semiciclos de un mismo signo (del doble de Ia frecuencia de Ia corriente de entrada alimentada). Este circuito rectificador 20 puede incluir fusibles para evitar que las sobrecargas y picos provenientes de Ia fuente de corriente alterna 30 sean transmitidos hacia los otros circuitos del balastro electrónico.

Ahora bien, en Ia Figura 3, se detalla principalmente el circuito corrector de factor de potencia 40, este circuito obedece a Ia topología de un circuito convertidor del tipo elevador operando en modo de conducción continua. El circuito PFC 40 tiene como función convertir el voltaje de CD de valor bajo (120/220 volts), en voltaje de CD de valor alto por ejemplo 385 volts con ayuda del inductor L1 que almacena energía, el interruptor SW1 que actúa como un interruptor de alta velocidad y el diodo D1 que se encuentra conectado en serie con el inductor L1 y permite liberar Ia energía del mismo cuando el interruptor SW1 se encuentra en estado de no-conducción. El disparo del interruptor SW1 es ordenado por el circuito integrado CH . El circuito PFC 40 opera con un lazo de control de retroalimentación formado por dos líneas una de las cuáles se toma entre las resistencias en serie R9 y R10 y Ia otra entre las resistencia en serie R12 y R13, ambas líneas se dirigen hacia el circuito integrado CH , el cual a través de Ia línea que se encuentra antes de Ia resistencia R1 toma como referencia Ia forma de onda del voltaje de Ia línea de alimentación y ordena el disparo del interruptor SW1 a fin de modular el funcionamiento de todo el circuito 40 logrando con ello que Ia corriente que se consume de Ia línea tenga Ia misma forma de onda y además se mantenga en fase con el voltaje.

Con ayuda de las Figuras 3 y 4, se puede mencionar que el circuito PFC 40 provee de carga a un juego de capacitores C3 y C4 arreglados en serie, mismos que almacenan Ia energía que va a requerir el circuito convertidor de corriente directa (CD) a corriente alterna (CA) 50 de alta o baja frecuencia que se ilustra en Ia Figura 4 para así entregar Ia potencia requerida hacia Ia lámpara 60. En este sentido, el circuito PFC 40 se

conecta con el circuito convertidor 50 en los puntos de interconexión E ₁ F, G; de ellos, en el punto E existe un voltaje de salida de valor positivo, en el punto G un voltaje de salida de valor negativo y el punto F es Ia conexión al común del transformador T1 del circuito convertidor de CD a CA de alta o baja frecuencia 50 de Ia Figura 4, el punto F es el punto de retorno para Ia corriente de operación de Ia lámpara HID 60.

Por otra parte, el circuito integrado CM se encuentra energizado por Ia fuente de potencia auxiliar a través de los puntos de interconexión C y D, el circuito integrado CH tiene otras conexiones pero sólo se muestran las necesarias para el entendimiento de operación básica del circuito corrector de factor de potencia 40, que también incluye el diodo D2 y las resistencias R8 y R11 que son resistencias divisoras de Ia corriente para proveer el lazo de control y que sirven para poner a punto Ia operación del circuito PFC 40. Finalmente en Ia Figura 3 se aprecia el capacitor C1 que funciona como un filtro de alta frecuencia.

Cabe mencionar que en una modalidad alternativa del balastro de Ia presente invención, el circuito de corrección de factor de potencia PFC 40 puede ser sustituido por un filtro que se conecta directamente al circuito rectificador 20 y que tiene un valor de filtro mínimo indispensable, este filtro permite ofrecer un buen factor de potencia con un mínimo de distorsión armónica total, con esta modalidad se obtienen valores excelentes en cuanto a factor de potencia y distorsión armónica total, además se reduce el costo del balastro.

Ahora, se hace énfasis especial a Ia Figura 4, que muestra el diagrama del circuito convertidor 50 de corriente directa a corriente alterna de alta o baja frecuencia, este circuito 50 es el encargado de suministrar directamente Ia energía hacia Ia lámpara 60. El circuito convertidor 50 recibe energía del circuito PFC 40 a través de los puntos de interconexión E y G y además se encuentra interconectado con el circuito de control 80 (ver Figura 2) en los puntos de interconexión H e I. La topología del circuito convertidor 50 obedece a una configuración medio puente cuasi resonante y tiene como componentes los interruptores de alta frecuencia (Transistores MOSFET) SW2 y SW3 que operan en modo de conmutación a voltaje cero. El estado de conducción de los interruptores SW2 y SW3 es ordenado por el circuito de control, de manera particular, en el punto de interconexión H se recibe Ia señal de compuerta alta para el interruptor SW2 y en el punto de interconexión I se recibe Ia señal de compuerta baja para el interruptor SW3. Esta característica permite, por un lado, operar con bajas pérdidas de energía originadas por Ia conmutación de los interruptores SW2 y SW3, y por otra, mediante Ia variación de Ia frecuencia de conmutación de los interruptores SW2 y SW3, se logra variar Ia potencia que se entrega a la lámpara 60, y por consecuencia, lograr el control de

Ia intensidad luminosa de Ia misma. Precisamente, el aprovechar esta característica de conmutación mediante el circuito de control, el balastro puede realizar el ahorro de energía, Io cual es muy valioso para los sistemas de iluminación, preferiblemente los sistemas de iluminación pública.

Los interruptores SW2 y SW3 conducen Ia electricidad de manera continua produciendo una onda cuadrada en su intersección que se encuentra conectada al transformador T1 cuyo común es retomado al circuito PFC 40 en el punto F. Después del transformador T1 , Ia corriente es convertida en una forma sinoidal mediante un circuito resonante LCC formado por el inductor L2, el capacitor C2 y el capacitor C5, la frecuencia de operación del circuito resonante formado por L2, C2 y C5 es siempre mayor a su frecuencia de resonancia. Es importante señalar que el encendido de la lámpara 60 es detectado por el sensor S2 que se encuentra en comunicación operativa con el circuito de control.

Ahora, con ayuda de las Figuras 5 y 6 se procede a describir el circuito de ignición 70 y el circuito de control 80. De manera inicial, es conveniente mencionar que el circuito de ignición 70 se encuentra interconectado con el circuito de control 80 en los puntos de interconexión K, L y M a fin de recibir y enviar señales, además recibe energía regulada de Ia fuente de poder auxiliar en los puntos N y P. Por su parte, el circuito de control 80 se interconecta al circuito convertidor en los puntos de interconexión H e I, que tal como se ha indicado ordenan el disparo de los interruptores de alta frecuencia SW2 y SW3 del circuito convertidor. Además, el circuito de control 80 recibe energía regulada de Ia fuente de poder auxiliar en el punto Q y en el punto O, este último punto de interconexión es una derivación de Ia alimentación suministrada hacia el circuito de ignición 70 provista en el punto N.

Una vez habiendo identificado las conexiones principales de los circuitos de las Figuras 4 y 5, se puede mencionar que el circuito de ignición 70 provee dos frecuencias de resonancia que, a través del accionador DR1, son transmitidas hacia el circuito convertidor 50 en los puntos de interconexión H e I. La primer frecuencia de resonancia tiene un valor de entre aproximadamente 1.5 y 7 veces mayor con respecto al valor de Ia segunda frecuencia de resonancia. A Ia frecuencia de resonancia mayor, se Ie de denomina frecuencia de arranque o ignición y a Ia segunda frecuencia se Ie llama resonancia de operación. En Ia primer frecuencia,, Ia ganancia de voltaje lograda en el circuito convertidor 50 es Io suficientemente grande como para asegurar que Ia lámpara pueda encender fácilmente, mientras que en Ia segunda frecuencia de resonancia, el balastro opera a una frecuencia siempre superior a Ia que ocurre el fenómeno de

resonancia acústica, como por ejemplo, en las lámparas de vapor de sodio convencionales.

En relación con Io anterior, el circuito de ignición 70 ejecuta un método característico para el encendido inicial de Ia lámpara HID de una forma confiable, rápida y eficiente, de manera específica, el circuito integrado CI2, que es un oscilador del tipo VCO (Oscilador de Voltaje Controlado), del circuito de ignición 70 realiza un barrido descendente de frecuencias, el cual consiste en generar frecuencias en un intervalo comprendido desde una frecuencia mayor a Ia frecuencia de ignición de Ia lámpara hasta una frecuencia de calentamiento de Ia misma, a una fracción de Ia potencia nominal de Ia lámpara. El barrido de frecuencias se realiza en este intervalo de frecuencias, en un tiempo tal que asegura un arranque confiable de Ia lámpara.

Más particularmente, Ia velocidad del barrido está determinada de acuerdo con el tiempo mínimo que requiere Ia lámpara para su ignición, así que con dicho barrido descendente, el circuito integrado CI2 del circuito de ignición calcula un valor máximo de KHz/seg en Ia velocidad del barrido descendente de frecuencias que garantiza el tiempo mínimo requerido por Ia lámpara para su ignición, a voltaje máximo producido por el circuito de ignición.

Una de las ventajas que se logran mediante el circuito de ignición 70 es que se provee de una protección en forma natural a Ia lámpara, ya que los límites de barrido de frecuencia se encuentran en regiones muy alejadas de donde ocurre Ia máxima generación de voltaje aplicado; en consecuencia, el encendido es entonces el óptimo. Desde otro punto de vista, el voltaje de encendido se incrementa paulatinamente hasta llegar al valor de ignición que Ia lámpara necesita, no más. El barrido descendente abarca un rango muy amplio de frecuencias, a una velocidad de cambio tal, que se asegura que el circuito resonante formado por L2, C2 y C5 pase por Ia frecuencia de arranque y encienda de manera segura Ia lámpara, el barrido de frecuencias descendente termina en un valor de frecuencia que, en caso de no encender Ia lámpara, Ia ganancia del circuito es tan baja que cesan los pulsos de alto voltaje y por tanto el peligro de dañar al circuito convertidor. Más adelante de esta descripción se ejemplificará como se realiza el barrido de frecuencias para un caso en particular.

Tal como se mencionó, el circuito de ignición 70 se alimenta de Ia fuente de poder auxiliar en los puntos N y P, de ellos el punto N tiene un voltaje positivo y en el punto P un voltaje negativo o cero volts y está conectado a Ia resistencia R22, que a su vez se encuentra conectada a los interruptores de alta frecuencia SW4 y SW5, los cuales en conjunto forman un selector de alta velocidad, toda vez que reciben tanto Ia señal del barrido descendente de frecuencias que genera el circuito integrado CI2 del circuito de

ignición 70, así como perfil de potencia almacenado en el microcontrolador programable MC1 del circuito de control 80, tal perfil de potencia se encuentra almacenado como un perfil de frecuencias.

Cuando Ia lámpara ha encendido, Io cual es detectado por el sensor óptico S2, el microcontrolador programable MC1 del circuito de control 80 utiliza una frecuencia de control a través de un comando del mismo que se transmite hacia el selector (interruptores SW4 y SW5), deshabilitando por Io tanto, el barrido descendente de frecuencias y controla a partir de ese momento Ia potencia suministrada hacia a Ia lámpara, de acuerdo con un perfil de potencia programado previamente.

El circuito de control 80 incorpora un sensor óptico luminoso S1 que detecta el grado de oscuridad del entorno, cuando dicho sensor S1 detecta que Ia noche está por llegar, el circuito de control 80 ordena al circuito de ignición 70 Ia ejecución del barrido descendente de frecuencias anteriormente explicado. Este sensor S1 es preferiblemente un sensor óptico de estado sólido. El sensor luminoso de estado sólido incorpora una mejora importante con respecto a Io medios de detección utilizados en los balastros de arte previo, este sensor forma parte del circuito de control y es sumamente confiable.

Asimismo, tal como se mencionó, el circuito de control 80 incorpora el sensor óptico S2, el cual envía una señal de retroalimentación hacia el microcontrolador MC1 para saber si Ia lámpara ha encendido, si el sensor óptico S2 detecta que Ia lámpara no ha encendido, el circuito de control 80 ordena al circuito de ignición 70 reintentar el encendido, preferiblemente tres veces, con intervalos de tiempo fijos entre un reintento y otro. Si no se logra encender Ia lámpara, se considera que Ia misma está dañada, y se anunciará mediante un indicador que se encuentra comprendido dentro del circuito de control, que servirá, por Io tanto, como diagnóstico. A partir de este momento, el circuito de control 80 no intentará encender nuevamente Ia lámpara hasta que Ia misma se haya reemplazado, y se haya reconocido el estatus del balastro mediante un pulsador en el control.

Otros componentes restantes del circuito de ignición son el capacitor C6, la resistencia R34 conectada en serie con el transistor Q3 que preferiblemente es un transistor bipolar. Estos componentes definen el tiempo de barrido. R33 tiene Ia función de preparar el circuito de barrido para una nueva ignición una vez que Q3 se ha apagado mediante un mando en el punto K. En el circuito de ignición también está también Ia resistencia R32, a través de Ia cual se acopla el barrido de frecuencia al interruptor SW4.

Ahora, se hace referencia a Ia Figura 7, que muestra Ia topología del circuito mediante el cual funciona Ia fuente de potencia auxiliar 90. Este circuito incluye el transformador T2 que está conectado directamente a Ia fuente de corriente alterna en los

puntos de interconexión A y B. La fuente de potencia auxiliar también se conecta al circuito corrector de factor de potencia en los puntos C y D, al circuito de ignición en los puntos N y P y al circuito de control en el punto Q. El circuito de Ia fuente de potencia auxiliar 90 incluye un puente rectificador 91 tal como aquel descrito para el circuito rectificador 20, y un capacitor C7 que sirve de filtro.

La fuente de potencia auxiliar 90 comprende además tres reguladores 92, 93 y 94, el primero de ellos provee voltaje regulado de 12 volts que se alimenta a través del punto N al circuito de ignición y que además se transmite al circuito de control. El segundo regulador 93 provee un voltaje regulador de 15 volts, el cual se alimenta directamente al microcontrolador MC1 del circuito de control 80. Finalmente, el tercer regulador 94 provee voltaje regulado al circuito integrado CH del circuito corrector de factor de potencia 50. La fuente de potencia auxiliar 90 suministra energía para que los circuitos integrados, microcontroladores y accionadores de los circuitos principales que integran al balastro funcionen de Ia manera adecuada y en el momento en que son requeridos.

Por otra parte, ahora se hace referencia a Ia Figura 8, el cual es un diagrama de flujo para explicar una modalidad preferida del método de operación 110 del balastro de Ia presente invención, como punto de partida, el método tiene Ia etapa 115 donde se detecta el estado de oscuridad donde inicia Ia noche, en caso de no detectarse, el método 110 aguarda dicha condición en Ia etapa adicional 116.

Cuando ha llegado Ia oscuridad, en el método se realiza Ia etapa 120, donde se establecer un perfil de potencia que el balastro debe suministrar hacia Ia lámpara HID durante Ia noche. El perfil de potencia comprende una serie de etapas de potencia, cada una de ellas teniendo un valor de potencia que el balastro debe suministrar hacia Ia lámpara HID así como un tiempo de duración que, como una modalidad específica, puede ser recalculado con los datos de la duración de por Io menos una noche previa; particularmente se prefiere que el método tome los valores de 5 noches previas para calcular el perfil de potencia a ejecutar.

Una vez que se establece el perfil de potencia en Ia etapa 120, dentro del método se revisa el voltaje de línea y del circuito corrector de potencia PFC del balastro Io cual ocurre en Ia etapa 121 , si los voltajes son los correctos, el método 110 ejecuta Ie etapa de encendido 125, el cual tal como se ha mencionado, se realiza mediante un barrido descendente de frecuencias, que se realiza desde una frecuencia mayor a Ia frecuencia de ignición de Ia lámpara hasta una frecuencia de calentamiento de Ia misma a una fracción de Ia potencia nominal de Ia lámpara. Posteriormente, en Ia etapa 126, se verifica si Ia lámpara ha encendido, en caso de que esto no suceda, se reintenta encender Ia lámpara en Ia etapa 125.

Cuando Ia lámpara ha encendido, se ejecuta Ia etapa 130 donde se precalienta Ia lámpara, Io cual se hace gradualmente. Posteriormente, en Ia etapa 135 se ejecutan cada una de las etapas de potencia establecidas en el perfil que se calculó en Ia etapa 120. La etapa de ejecución del perfil 135, transcurre a Io largo de toda Ia noche, y en ella constantemente se verifica el voltaje durante Ia etapa 136, si los voltajes se encuentran fuera de un rango preestablecido se apaga Ia lámpara en Ia etapa 137. El perfil de potencia consiste en Ia división de Ia duración promedio de Ia noche en un número determinado de etapas o segmentos de potencia, en los cuales se va a aplicar una atenuación de Ia intensidad de Ia luz, reduciéndose el consumo de energía de acuerdo con Ia atenuación de Ia potencia entregada por el balastro en Ia etapa correspondiente. Asimismo, Ia intensidad será mayor durante los tramos cercanos al anochecer y al amanecer, y será menor durante los tramos intermedios de Ia noche, Ia transición entre una etapa y otra del perfil de potencia se hace preferiblemente en forma gradual.

Volviendo a Ia Figura 8, en Ia etapa 138 se verifica Ia ejecución de cada etapa de potencia del perfil y si en Ia etapa 140 se detecta el amanecer, se apaga Ia lámpara en Ia etapa 145. Finalmente en Ia etapa 150, se calcula Ia duración de Ia noche para que el valor calculado sea almacenado y pueda ser tomado en cuenta para recalcular Ia duración de las etapas de perfil que el balastro debe ejecutar en Ia noche siguiente.

Es muy importante mencionar que en Ia modalidad del método 110 que se describe, se contempla Ia ejecución de por Io menos una etapa de potencia adicional para que Ia lámpara cumpla su función de iluminación. Particularmente, si en Ia etapa 140 se detecta que aún no ha amanecido, en Ia etapa 141 se asigna, en su caso, por Io menos una etapa extra, y se contabilizan todas las etapas, es decir las etapas de potencia del perfil y Ia extra, si se ha excedido un número de etapas permitidas "n" se apaga Ia lámpara en Ia etapa 145 o si es menor se realiza Ia etapa extra, Ia ejecución de Ia misma se detecta en Ia etapa 142. En dicha etapa 142, se ordena Ia falla del sensor óptico luminoso si se han desarrollado Ia etapa extra y no se ha detectado el amanecer.

Después de ejecutar Ia etapa de potencia extra en 142, se vuelve a ejecutar Ia etapa 140 para detectar el amanecer y el método 110 continúa con el apagado de Ia lámpara en Ia etapa 145.

Ahora, se hace referencia a Ia Figura 9 que muestra una curva del perfil de potencia típica suministrado por el balastro de Ia modalidad preferida en una lámpara HID durante el tiempo (t) de una noche, durante Ia cual Ia lámpara se encuentra en funcionamiento, preferiblemente una lámpara del sistema público de iluminación. El punto 100 representa el estado de oscuridad que detecta el sensor óptico, por Io cual el sistema de control ordena el encendido o ignición de Ia lámpara. Una vez encendida Ia lámpara,

el circuito de control ejecuta el perfil de potencia para ahorrar energía, que inicia en Ia etapa 101 que es Ia etapa de calentamiento de Ia lámpara, que es realizado con un aumento gradual de potencia, de manera que no se presente sobrecarga en Ia misma. Este arranque suave en Ia etapa 101 tiene Ia ventaja adicional de que se logra alargar Ia vida útil de Ia lámpara, debido a que en ningún momento se sobrepasa Ia corriente máxima especificada por el fabricante de Ia lámpara.

Posteriormente, en Ia etapa 102, que abarca las primeras horas de Ia noche, Ia lámpara opera a potencia plena o a cualquier otro valor de inicio. Luego, en Ia etapa 103, el balasto realiza una reducción gradual en Ia potencia suministrada hacia Ia lámpara durante un porcentaje de Ia duración de Ia noche, para ello el sistema de control utiliza el DIMMING. En Ia etapa siguiente, que es Ia etapa 104, Ia lámpara opera a una capacidad reducida, sin embargo, el balastro opera dicha lámpara para que Ia misma logre un nivel de iluminación aceptable, esta etapa puede ejecutarse cuando el tránsito de personas y vehículos es sumamente reducido por un tiempo determinado.

En la etapa 105, se vuelve a incrementar gradualmente Ia potencia suministrada hacia Ia lámpara, pero no llegando a una iluminación plena. En Ia etapa 106, Ia lámpara puede operar por un determinado tiempo a una fracción de Ia potencia, por ejemplo, esta etapa puede ejecutarse durante unas horas antes del amanecer. Finalmente, el punto 107 representa el momento en el cual el sensor óptico luminoso detecta el inicio del día, por Io cual el circuito de control ordena el apagado de Ia lámpara

En Ia Figura 10, se muestra una gráfica que muestra Ia potencia suministrada por un balastro a Io largo de Ia noche dividida en horas, donde al principio de Ia noche (20:00 horas) el balastro suministra el 100% de potencia, y Ia disminuye gradualmente entre una hora de Ia noche y Ia siguiente hasta llegar a Ia medianoche donde solamente entrega el 40% de potencia hacia Ia lámpara y Ia mantiene por 5 horas más, para que después el balastro aumente Ia potencia hasta un 90% porcentaje durante una hora antes del amanecer (6:00 horas) donde se apaga Ia lámpara.

El balastro de Ia presente invención, puede operar Ia lámpara desde un 30% hasta un 100% de su capacidad nominal, y dado a que el microcontrolador es programable se puede ajustar el consumo de Ia lámpara a un valor deseado y ejecutar cada etapa del perfil por el tiempo en que sea requerido. La cantidad de opciones para ejecutar el perfil de potencia con el objetivo de ahorrar energía con base al balastro de Ia presente invención es, en realidad, ilimitada, y posibilita toda aplicación de ahorro de energía en alumbrado público y privado, de acuerdo a las necesidades particulares del consumidor.

En una modalidad preferida de Ia presente invención, el microcontrolador del circuito de control tiene Ia capacidad de ser auto-adaptable, esto quiere decir, que

determina la duración de cada noche entre el encendido y apagado de Ia lámpara, aprendiendo de esta forma, y distribuyendo en forma automática los horarios programados de las etapas que deberán ejecutarse en Ia siguiente noche. Los datos están seguros pues el microcontrolador incluye una memoria no volátil. De esta forma, el balastro puede ser utilizado en todas las latitudes de Ia tierra sin disminuir su capacidad de ahorro de energía.

En relación con Io anterior, esta auto-adaptación o aprendizaje es adecuado para las latitudes altas en las que Ia duración estacional de Ia noche varía considerablemente. En otra modalidad, el microcontrolador se encuentra programado con tiempos fijos para Ia ejecución de las etapas del perfil de potencia y es útil en las latitudes bajas, en las que Ia duración de Ia noche no varía considerablemente a Io largo del año.

En otra modalidad adicional, el balastro comprende medios de comunicación tales como antenas o sensores infrarrojos para recibir señales externas a fin de operar y programar el balastro desde un controlador externo, esta modalidad es sumamente útil en sitios como instalaciones industriales en que exista un cuarto de control.

El balastro electrónico para lámparas de descarga de alta intensidad de Ia presente invención, y en particular, su método de barrido descendente será más claramente ilustrado por medio del siguiente ejemplo, el cual se presenta con propósitos ilustrativos, por Io que no limita a Ia invención.

EJEMPLO Ejemplo de barrido de frecuencias.

Para este ejemplo, es conveniente hacer nuevamente referencia a Ia Figura 4, en donde para un caso particular, en el cual L2 = 134 uH y C2=120 nF, Ia curva de ganancia del circuito resonante para ignición, formado por T1 , L2 y C5, tiene una ganancia de 42.5 dB como máximo, y para un encendido seguro de Ia lámpara se requieren 28 dB. Con estos valores, el ancho de banda resultante para Ia curva de ignición es de aproximadamente 3 KHz. El tiempo de barrido de estos 3 KHz debe ser el suficiente para que Ia lámpara responda y encienda en 1 ms, que es un tiempo suficiente. El barrido de frecuencias Io provee el circuito de ignición 70 de Ia Figura 5, mediante los componentes Q3, C6 y R34, en conjunto con el oscilador del tipo VCO (CI2). Específicamente, Q3 descarga el capacitor C6 proporcionando un voltaje que desciende en forma de descarga exponencial. El voltaje resultante se alimenta al CI2, y éste genera el barrido en el rango de frecuencias necesario para Ia ignición. Para este caso, Q3 es un transistor bipolar del tipo MPS2907A, R34 es de 10 Kω y C6 es de 1 μF, por supuesto, estas características de los componentes podrán cambiar de acuerdo con el diseño del balastro. Una vez

encendida la lámpara, el circuito de control opera Ia lámpara de acuerdo con el perfil de potencias de Ia Figura 9 o Ia Figura 10 anteriormente explicados.

De conformidad con Io anteriormente descrito, se podrá observar que el balastro electrónico de Ia presente invención ha sido ideado para que entregue Ia potencia hacia Ia lámpara de acuerdo con un perfil preestablecido, logrando un ahorro de energía; y será evidente para cualquier experto en Ia materia que Ia modalidad descrita anteriormente es únicamente ilustrativa más no limitativa de Ia presente invención, toda vez que son posibles numerosos cambios de consideración en sus detalles sin apartarse del alcance de Ia invención, como pueden ser los tiempos de ejecución de cada una de las etapas del perfil, así como Ia potencia desarrollada por Ia lámpara a cada uno de los pasos del perfil y Ia topología de cada uno de los circuitos principales del balastro.

Aún cuando se ha descrito y ejemplificado una modalidad preferida de Ia presente invención, debe hacerse hincapié en que son posibles numerosas modificaciones a Ia misma. Por Io tanto, Ia presente invención no deberá considerarse como restringida excepto por Io que exija Ia técnica anterior y por el alcance de las reivindicaciones anexas.