Îmbunătăţirea eficienţei iluminării fluorescente

25 IANUARIE 2008

Cele mai noi generaţii de microcontrolere (MCU) mici şi economice pot fi utilizate pentru implementarea de diferite tipuri de control electronic în cadrul sistemelor de alimentare pentru iluminare. Ele pot îmbunătăţi controlul şi eficienţa, precum şi pot oferi comunicare şi monitorizare în bucla închisă inteligentă. De exemplu, pentru lămpile fluorescente, care sunt deja o sursă eficientă de lumină, controlul electronic printr-un MCU poate oferi un factor de corecţie de putere (PFC) activ şi poate permite becului să-şi scadă iluminarea la orice nivel, prin aceasta crescând eficienţa. MCU poate de asemenea monitoriza curenţii pentru a asigura că nivelele de strălucire rămân constante şi pot oferi caracteristici suplimentare, precum controlul încărcării bateriei pentru aplicaţii de iluminare portabile.
Comisia pentru energie din California a realizat un studiu cuprinzător referitor la consumul energetic pentru iluminare. Acesta arată că iluminatul rezidenţial reprezintă 8 procente din consumul energetic utilizat de stat, în timp ce iluminarea comercială reprezintă 14 procente din acelaşi consum.
Eficienţa unei surse de lumină, sau eficacitatea, este definită ca şi cantitatea de lumină de ieşire, raportată la puterea electrică de intrare. Lumina de ieşire este măsurată în lumeni. În figura de mai sus este prezentată eficacitatea câtorva tipuri de surse de lumină.

Eficacitatea diferitelor surse de lumină

Becul cu incandescenţă, modificat foarte mult faţă de invenţia originală a lui Edison, este încă larg utilizat în aplicaţii de iluminare. Datele studiului din California arată că 59% din toată energia pentru iluminarea rezidenţială şi 13% din toată energia pentru iluminarea comercială este consumată de surse cu incandescenţă. Becul cu incandescenţă oferă cea mai mică eficacitate dintre toate sursele de lumină alimentate electric.

Corpuri de iluminare fluorescente
Sursele de lumină fluorescente sunt surse de înaltă eficienţă, cu eficacitatea ajungând la până la 100 lm/W. Ele lucrează prin conducerea curentului printr-un tub umplut cu vapori de mercur. Vaporii sunt ionizaţi şi produc lumină ultravioletă. Tubul are o manta fosforoasă ce translatează lumina de ieşire în spectru vizibil.
Acest tip de lampă nu poate opera alimentat direct de la o sursă de tensiune, datorită proprietăţilor sale de impedanţă negativă. Odată cu creşterea curentului în tub, rezistenţa internă scade, rezultând un efect de creştere puternică. Este nevoie de un dispozitiv de stabilizare (balast) care să limiteze curentul. Acesta poate fi simplu precum o rezistenţă de limitare de curent, dar, în acest caz, ineficienţa este ridicată. Uzual balastul inductiv a fost utilizat pentru controlul lămpilor fluorescente. Soluţia permite şi implementarea unui circuit de transformare, care creşte tensiunea de linie la nivelul cerut de lampă.
Pentru a porni o lampă fluorescentă tensiunea de intrare trebuie crescută la o valoare de “declanşare” ce va produce trecerea curentului. Această tensiune produce arcul iniţial în tub. După declanşare, rezistenţa lămpii scade rapid.
Lămpile fluorescente sunt disponibile în variante cu pre-încălzire, start rapid şi start instantaneu. Acestea diferă prin modul în care filamentul este încălzit anterior declanşării arcului. Lămpile cu pre-încălzire utilizează un comutator de pornire extern pentru conectarea pentru o clipă a filamentelor în serie. Lămpile cu start rapid utilizează numai tensiunea de pornire pentru încălzirea filamentelor. Lămpile cu pornire instantanee nu necesită filament de încălzire şi pot fi recunoscute printr-un singur terminal la fiecare capăt al lămpii. Pentru declanşarea arcului fără încălzire trebuie aplicată o tensiune suficient de ridicată.
Lămpile cu pornire rapidă au cele mai bune caracteristici, în special pentru aplicaţii de stabilizare electronică. Ele sunt însă mai puţin eficiente din punct de vedere energetic, deoarece filamentele sunt continuu încălzite. În orice caz, filamentele sunt supuse unor eforturi reduse, rezultând durată mare de viaţă a becului.

Balast electronic
Circuitul prezentat în figura 2 este o configuraţie uzual utilizată pentru implementarea unui balast electronic, care oferă o eficienţă mai bună decât balastul inductiv.

Figura 2 Circuit de balast electronic tipic pentru iluminarea fluorescentă

În serie cu lampa este plasat un circuit rezonant cu bobină şi condensator. Valorile componentelor circuitului LC sunt alese pentru a oferi rezonanţă la frecvenţa de comutaţie la care operează lampa. Un circuit de balast tipic utilizează frecvenţe de comutaţie în domeniul 20kHz-50kHz. Un al doilea condensator este plasat paralel cu lampa pentru a conecta efectiv cele două filamente în serie la frecvenţe mai mari decât frecvenţa de rezonanţă. O frecvenţă tipică de start poate fi de 100kHz.
În timpul ciclului de încălzire al filamentului (frecvenţă înaltă), Cf conduce. După o durată dată de timp de încălzire a filamentului, frecvenţa este redusă pentru a porni lampa. Cf devine un circuit deschis la această frecvenţă joasă. Înainte de pornirea lămpii, rezistenţa becului este înaltă, iar tensiunea creşte rapid către tensiunea de declanşare, datorită rezonanţei circuitului bobină / condensator. Tensiunea de declanşare este tipic de 600VAC sau mai mare.
După ce arcul este declanşat, rezistenţa becului scade puternic. Tensiunea prin bec scade şi ea la, uzual, mai puţin de 100VAC. Figura 3 prezintă o reprezentare grafică a nivelelor de operare ale circuitului de balast electronic.

Figura 3 Nivelele de operare ale circuitului de balast electronic

Generarea unei frecvenţe variabile
Unul dintre perifericele tipice PWM (pulse-width-modulation) ale unui MCU poate fi uşor utilizat pentru generarea frecvenţei variabile necesare pentru aplicaţiile de balast electronic. Modulul PWM este foarte potrivit pentru generarea de diferite lăţimi de pulsuri la frecvenţă fixă, dar poate să nu aibă pentru frecvenţă precizia necesară pentru aplicaţia de balast. Acest lucru este adevărat mai ales dacă este necesară şi atenuarea luminii. Atenuarea luminii unei lămpi fluorescente poate fi realizată prin creşterea frecvenţei peste frecvenţa de rezonanţă a circuitului de comandă. Din fericire, există o cale simplă de soluţionare a acestei probleme prin utilizarea de software.
Figura 4 prezintă un periferic tipic PWM digital care poate fi găsit pe un MCU. Perioada semnalului PWM este stabilită de o bază de timp digitală şi registrul de perioadă asociat. Un al treilea registru este utilizat pentru stabilirea factorului de umplere.

Figura 4 Diagrama bloc a unui PWM digital

Pentru o matematică simplă să presupunem că baza de timp este dată de o sursă de 10MHz. Să presupunem de asemenea că frecvenţa centrală pentru circuitul de balast este de 50kHz. O valoare de 200 va trebui introdusă în registrul perioadă pentru a obţine un semnal de ieşire de 50kHz. Pentru un bun reglaj de atenuare, este nevoie de posibilitatea de reglare a frecvenţei în paşi de 0,1 procente (50Hz). Din păcate, dacă valoarea din registrul perioadă se schimbă în 199, rezultă o frecvenţă de ieşire de 50251Hz. De aceea trebuie găsită o cale de a creşte rezoluţia frecvenţei de 5 ori.
Rezoluţia frecvenţei poate fi crescută prin forţarea modulului PWM să comute în timp între două perioade adiacente. La finalul fiecărei perioade PWM, este adăugată o valoare la un registru de acumulare. Valoarea adăugată la registru reprezintă porţiunea “fracţionată” a perioadei cerute. Dacă registrul intră în depăşire ca rezultat al adăugării, atunci cea mai mare dintre valorile perioadei este scrisă pe modulul PWM pentru a produce o frecvenţă mai mică. Dacă registrul nu intră în depăşire, atunci valoarea mai mică a perioadei este utilizată.
Presupunând că modulul PWM are un registru de perioadă de 8-biţi şi registrul de acumulare este de asemenea de 8 biţi, atunci este vorba despre un registru pe 16 biţi pentru stabilirea perioadei PWM. Cu alte cuvinte, au fost adăugaţi 8 biţi fracţionali la rezoluţia de reglaj a frecvenţei.
Pentru generarea unei frecvenţe de 50050 Hz, valoarea necesară pentru perioadă este 199,8. Registrul de perioadă PWM va fi stabilit la o valoare de 200 pentru 80% din timp, şi o valoare de 199 pentru 20% din timp. Valoarea adăugată registrului acumulator pe 8 biţi va fi 0,8*256 = 204 = 0xCC. Tabelul 1 demonstrează modul de lucru al algoritmului pe câteva perioade PWM. Registrul de perioadă al modulului PWM este schimbat în timp între 199 şi 200, astfel încât este obţinută perioada medie de 199,8.
Cu acumulatorul pe 8 biţi utilizat în acest exemplu, frecvenţa efectivă poate fi reglată în paşi de 10 Hz în jurul frecvenţei centrale de 50kHz. Această rezoluţie va oferi performanţe de atenuare excelente în aplicaţii de balast electronic.

Performanţele de atenuare ale balastului electronic pentru lămpi fluorescente poate fi îmbunătăţit mai mult prin monitorizarea curentului cu ajutorul MCU. Aceasta permite reglarea exactă a curentului la nivelul corect pentru ieşirea dorită. De asemenea, MCU poate determina când lampa nu reuşeşte să pornească.
Pentru producătorii de circuite de balast electronic, soluţia bazată pe MCU oferă o platformă flexibilă. MCU poate fi cu uşurinţă reprogramat cu diferite profiluri de pornire, pentru diferite tipuri de becuri şi diferite valori de circuite LC. De asemenea, el poate fi uşor reprogramat să creeze noi caracteristici şi funcţii.
Notă: Numele şi logo-ul Microchip şi PIC sunt mărci înregistrate ale Microchip Technology Inc. în USA şi alte ţări. Toate celelalte mărci menţionate mai sus sunt ale companiilor ce le deţin.

de Steve Bowling, Microchip Technology Inc.
www.microchip.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre