Controladores electrónicos para lámparas fluorescentes: ¿Cómo se realiza la conversión de CC a CA?

El libro Practical Eco-Electrical Home Power Electronics publicado por Elektor tiene un capítulo sobre inversores CFL con algunos diagramas de circuitos de inversores de ingeniería inversa y una explicación de ingeniería de cómo funcionan. Ver Práctico Eco-Eléctrico Home Power Electronics publicado por Elektor.

El tubo fluorescente tiene diferentes modelos de circuitos cuando está encendido y apagado y corresponden a dos modos resonantes diferentes que el inversor debe acomodar en su diseño. Después de separar varias CFL, encuentro que el diseño está bien estandarizado como se indica en la respuesta anterior para la iluminación alimentada por batería y como un medio puente (precedido a veces por un duplicador de voltaje) para las CFL operadas en línea.

Todos estos inversores son resonantes y cuando la bombilla no está encendida, dependen de su capacitancia para establecer la frecuencia resonante. Una vez encendida, la bombilla tiene un valor bajo de resistencia y un condensador en serie con la bombilla determina la frecuencia de resonancia en serie.

La gran mayoría de los circuitos utilizados son convertidores resonantes (también conocidos como convertidores Royer; cf. Bright, Pittman y Royer, "Transistors As On-Off Switches in Saturable Core Circuits", Electrical Manufacturing, diciembre de 1954). Una corriente pulsada a través de un transformador se retroalimenta a las conexiones base de los transistores de activación a través de devanados auxiliares en el mismo transformador.

Esta respuesta a una pregunta sobre los transformadores especiales utilizados en estos convertidores resonantes proporciona muchos enlaces a buenas fuentes para leer más. Las lámparas fluorescentes compactas (CFL) usan un tipo muy simple pero elegante de estos circuitos, donde las características de saturación del núcleo determinan la potencia de salida a la lámpara, mientras que la mayoría de los circuitos de retroiluminación LCD de monitores de computadora o computadoras portátiles usan este circuito con un medio de control electrónico. prerregulación, según lo diseñado por Jim Williams (1948-2011) y documentado como las patentes estadounidenses n.º 5.408.162 y 6.127.785 y las notas de aplicación de Linear Technology AN49 , AN55 y AN65 . Este concepto se desarrolló aún más con el uso de transformadores piezoeléctricos, cf. AN81 .

También hay circuitos que utilizan un oscilador que funciona a una frecuencia fija y un transformador para aumentar el voltaje según los requisitos de la lámpara. A menudo, un 555 (temporizador IC) se usa como un oscilador rudimentario de baja frecuencia, proporcionando un tren de pulsos a los transistores que están cambiando el primario del transformador, brindándole una salida de CA desde su secundario. Aquí se muestra un ejemplo de este tipo de circuito .

_{Nota: Tomé prestada esta información de la respuesta de Madmanguruman a la pregunta de reparación ahora cerrada , no porque quiera robar su fama/reputación, sino porque creo que la información es valiosa y debe conservarse en una pregunta no cerrada.}

Además, existen circuitos que se encuentran entre los conceptos de oscilador resonante y de frecuencia fija. Al mirar el tablero de una lámpara de emergencia disponible en el mercado, ...

... Traté de extraer este esquema. Tenga en cuenta que no está completo y cubre solo los componentes entre el IC del oscilador (temporizador 555) y el transformador:

La etapa de salida se vería más simple si se hubiera usado un par de transistores complementarios (npn y pnp), o si un voltaje de activación rectangular fuera a un transistor de potencia npn y, invertido por otro transistor pequeño, al segundo transistor de potencia npn, pero parece que los diseñadores decidieron quedarse con un solo tipo de transistor o no usar un transistor inversor de fase adicional, a costa de usar un devanado adicional en el transformador. Esto es lo que hace el circuito:

La salida de colector abierto del IC controla el transistor Q6 a través de una resistencia de 2k4. Supongo que el voltaje en el colector de Q6 está diseñado para ser bastante rectangular, es decir, las transiciones de alto a bajo y de regreso a alto no deberían ser lentas. Mientras que el transistor dentro del IC todavía está apagado, Q6 está apagado porque su base está alta. Una vez que se enciende el transistor en el IC, Q6 también se enciende y alimenta la corriente base a Q8. Esto hace que sucedan dos cosas: la corriente fluye por el 1er devanado del transformador (S1 se vuelve bajo con respecto a F1), y Q7 se mantiene en estado apagado porque así como S1 es menor que F1, S3 es menor que F3. Por lo tanto, al mismo tiempo que la base de Q8 sube, la base de Q7 baja.

Si, después de todo esto, la salida del IC vuelve a ser alta, Q6 se apaga y la corriente del colector a través de Q8 también se apagará. Sin embargo, la energía almacenada en el transformador quiere ir a alguna parte y esto hará que todos (!) los devanados inviertan su polaridad: S1 comienza alto con respecto a F1, S3 también comenzará alto con respecto a F3, Q7 se enciende porque su S3-F3 eleva la base, F2 se sumergirá por debajo de S2 y, por supuesto, el devanado de salida (S4-F4) también invertirá su voltaje, creando así una salida de CA para la lámpara.

Este estado parece estar sostenido por la energía almacenada en el transformador y en el inductor arriba y los capacitores debajo de los devanados primarios.

A partir de ahí, el proceso vuelve a empezar tan pronto como el temporizador IC inicia el siguiente ciclo de la señal de salida de CA; parece que la frecuencia en la salida del IC debe diseñarse para que coincida con lo que el transformador y los componentes que lo rodean están diseñados para hacer.

Parece que el circuito está operando en algún lugar entre un modo puramente impulsado por ancho de pulso, donde el IC del temporizador sería la única parte que dice cuándo los transistores de potencia Q7 y Q8 están encendidos o apagados, y un modo puramente resonante, donde el El transformador y los condensadores que lo rodean tienen la autoridad para controlar Q7 y Q8, porque entonces necesitaríamos otro devanado que controle la base de Q8. Tengo entendido que el 555 inicia cada ciclo y los componentes resonantes (L, C, transformador) determinan cuándo se detiene el ciclo en caso de que el IC no sea más rápido de todos modos. Usando LT Spice, descubrí que este circuito podría funcionar a una frecuencia de quizás 500 Hz... 3 kHz.

_{Nota: Si bien es extraño en el sentido de los sitios de preguntas y respuestas tradicionales, SE alienta a crear y responder sus propias preguntas con el fin de obtener información útil en el sitio, en el sentido de un wiki.}