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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL ESCUELA DE INGENIERÍA DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y COMPROBACIÓN DE UN DISPOSITIVO PARA SUMINISTRAR LA CORRIENTE APROPIADA, PARA ACTIVAR LÁMPARAS DE DESCARGA DE ALTA PRESIÓN PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERA EN ELECTRÓNICA Y CONTROL INGRID TERESA ANDINO MORILLO DIRECTOR: Dr. LUIS CORRALES Quito, noviembre del 2002
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
ESCUELA DE INGENIERÍA
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y COMPROBACIÓNDE UN DISPOSITIVO PARA SUMINISTRAR
LA CORRIENTE APROPIADA, PARA ACTIVARLÁMPARAS DE DESCARGA DE ALTA PRESIÓN
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DEINGENIERA EN ELECTRÓNICA Y CONTROL
INGRID TERESA ANDINO MORILLO
DIRECTOR: Dr. LUIS CORRALES
Quito, noviembre del 2002
DECLARACIÓN
Yo, Ingrid Teresa Andino Morillo, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito
es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o
calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se
incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual
correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo
establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la
normatividad institucional vigente.
Ingrid Teresa Andino Morillo
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Ingrid Teresa Andino Morillo,
bajo mi supervisión.
—J 7
Dr, Luis Corrales
DIRECTOR DE PROYECTO
AGRADECIMIENTO
A la empresa OSRAM GmbH, Berlín, auspiciante del presente trabajo, y a los
siguientes miembros de su cuerpo técnico:
"Prof. Klaus Gueníher, Jefe del Proyecto
Ing. Michael Boenigk, Director del Proyecto
Ing. Thomas Hartmann, Ing. Mathias Lau, colaboradores
Al Dr. Luis Corrales, Director del Proyecto en la Escuela Politécnica Nacional, Quito.
A todas las personas que de una u otra manera colaboraron en la realización del
presente trabajo.
DEDICATORIA
A mis padres y hermanas quienes me apoyaron siempre en los momentos mas
difíciles de mi vida, con paciencia y amor.
A mi hermana Lorena quien con su inocencia me enseñó el valor de la vida y lo
importante que puede ser una sonrisa.
A mi esposo Jórn, quien me da la fuerza y apoyo para seguir adelante siempre en la
realización de mis metas.
CONTENIDO
RESUMEN I
PRESENTACIÓN : VI
1 INTRODUCCIÓN A LAS LÁMPARAS DE DESCARGA 1
1.1 FUNCIONAMIENTO DE LAS LÁMPARAS INCANDESCENTES 11.L1 LÁMPARAS INCANDESCENTES DE TUNGSTENO................ 21.1,2 LÁMPARAS INCANDESCENTES HALÓGENAS 3
1.2 FUNCIONAMIENTO DE LAS LÁMPARAS DE DESCARGA 41.2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS LÁMPARAS DE DESCARGA 51.2.2 EL PLASMA EN LAS LÁMPARAS DE DESCARGA...... 61.2.3 CARACTERÍSTICA DE CORRJENTE EN FUNCIÓN DE VOLTAJE.. 7
1.3 LÁMPARAS DE DESCARGA DE ALTA PRESIÓN 81.3.1 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS .10
1.3.1.1 Voltaje de trabajo de la lámpara , 101.3.1.2 Comente de trabajo de la lámpara. 11
L4 LÁMP ARAS PARA AUTOS.. ....121.4.1 FUNCIONAMIENTO ,...121.4.2 VENTAJAS.. 14
2 ESTUDIO DE LOS BALASTOS 16
2.1 BALASTOS CONVENCIONALES. 162.2 BALASTOS ELECTRÓNICOS ..17
2.2.1 FUNCIONAMIENTO EN BAJAS FRECUENCIAS 182.2.1.1 Circuito de puente completo 19
2.2.2 FUNCIONAMIENTO EN ALTAS FRECUENCIAS. 202.2.2.1 Circuito de medio puente 222.2.2.2 Resonancias acústicas 23
3 PRUEBAS Y EXPERIMENTOS REALIZADOS 26
3.1 LÁMPARAS DE PRUEBA... ...273.1.1 LÁMPARA DE CERÁMICA 273.1.2 LÁMPARA DE CUARZO 29'
3.2 MÉTODO DE MODULACIÓN 313.3 CIRCUITO MODULADOR 32
3.3.1 PRIMER EXPERIMENTO........ ..553.3.2 SEGUNDO EXPERIMENTO 37
3.4 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ÓPTICO. 383.5 OSCILOSCOPIO EMPLEADO EN LOS EXPERIMENTOS 403.6 GENERADOR DE FUNCIONES ......................................423.7 FUENTES DE PODER.... 423.8 MEDIDOR DIGITAL DE POTENCIA 433.9 BALASTO ELECTRÓNICO DE PRUEBA 443.10 MEDICIÓN DE RESONANCIAS ACÚSTICAS............. 45
3.10.1 LÁMPARA DE CERÁMICA 473.10.2 LÁMPARA DE CUARZO 49
3.11 CIRCUITO INVERSOR RESONANTE .....513.11.1 CIRCUITO OSCILADOR NE555............................... 533.11.2 DISEÑO DEL INVERSOR RESONANTE LC EN SERIE 563.11.3 FLIPFLOP .-. 583.11.4 CIRCUITO IGNITOR.... ...V. ..59
3.11.4.1 Interruptores Spark Gap de dos electrodos................. 60
4 RESULTADOS OBTENIDOS.... 63
4.1 LÁMPARA DE CERÁMICA 63
4.1.1 FUNCIONÁb¡IENTOf NORMAL 634.1.2 RESONANCIAS ACÚSTICAS 664.1.3 PARÁMETROS ELÉCTRICOS.. 68
4.2 LÁMPARA DE CUARZO .............734.2.1 RESONANCIAS ACÚSTICAS .734.2.2 PARÁMETROS ELÉCTRICOS. 75
4.3 CIRCUITO INVERSOR RESONANTE .....79
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 87
5.1 LÁMPARA DE CERÁMICA ..875.2 LÁMP ARA DE CUARZO 915.3 CIRCUITO INVERSOR RESONANTE 935.4 RECOMENDACIONES 94
REraRENCL^S BIBLIOGRÁFICAS ...96
APÉNDICE A .'. 99
TABLA DE DATOS 99
APÉNDICE B i......... 122
DATOS TÉCNICOS ....122GENERADOR DE FUNCIONES 122
SISTEMA DE BOMBEO TOREO-MOLECULAR 123BOMBA TURBO-MOLECULAR ..124BOMBA DE RESPALDOf 124CONVERSOR ELECTRÓNICO DE FRECUENCIA...... 124MEDIDOR DE-PRESIÓNDE VACÍO .125
APÉNDICE C 127
ESPECIFICACIONES DE LOS ELEMENTOS ELECTRÓNICOS ., 127
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1; Ejemplo de lámparas incandescentes de uso actual fabricadas por Osram GmbH. 3Figura 1.2: Ejemplo de diferentes tipos de lámparas de descarga de baja presión...................... ..........5Figura 1.3: Característica de la corriente de la lámpara enfundan de su voltaje 7Figura 1.4: Ejemplo de diferentes tipos de lámparas de descarga de alta presión .................9Figura 1.5: Lámpara de descarga de alta presión tipo D. Denominación: Osram XenarcDIS. 12Figura 1.6: Gráfico de la relación de trabajo de la onda cuadrada 13Figura 2.1: Circuito depuente completo básico con una señal continua a la entrada (oscilador) ..........19Figura 2.2: Voltaje de salida del circuito de puente completo actuando como oscilador...... ......20Figura 2.3: Diagrama básico de un circuito de medio puente o inversor resonante 23Figura 3.1: Tubo de descarga B-9 utilizado en el primer experimento con modulación 27Figura 3.2: Tubo de descarga dentro del tubo de vidrio al vacío para el primer experimento 29Figura 3.3: Estructura de una lámpara de descarga de alta presión Xenarc tipo D2S. 30Figura 3.4: Formas de onda obtenidas de la configuración para modulación de amplitud. ..........32Figura 3.5: Esquemático del circuito modulador de frecuencia dentro de la configuración. 33Figura 3.6: Configuración utilizada en el primer experimento con modulación............... 36Figura 3.7: Configuración utilizada en el segundo experimento con modulación................. 37Figura 3.8: Sistema óptico utilizado para laproyección de las lámparas de prueba.......... 38Figura 3.9: Osciloscopio a color digital Tektronix, ventana del Menú Measurements ..............41Figura 3.10: Cálculo del porcentaje de modulación de la corriente a través de la lámpara.................... .......42Figura 3.11: Diagrama de bloques del balasto electrónico variable para lámparas tipo D 44Figura 3.12: Tubo de descarga de zafiro en funcionamiento normal, 0% resonancia 48Figura 3.13: Vista frontal del tubo dezafiro con una resonancia acústica del 100%. 49Figura 3.14: Vista superior del tubo de zafiro con una resonancia acústica del 60%.............. 49Figura 3.15: Escala de niveles de resonancias acústicas presentes en la lámpara tipo D ...51
Figura 3 Jó: Esquemático del circuito utilizado para el experimento 52Figura 3.17: Conexión del circuito integrado NE555 en operación astable .......55Figura 3.18: Estructura interna del timerNE555........ 54Figura 3.19: Circuito equivalente del circuito astable. ..55Figura 3.20: Circuito inversor resonante demedio puente...... 56Figura 3.21: Diagrama básico de un circuito resonante RLC en serie. 57Figura 3.22: Aplicación típica del HEF4013B en un contador binario ripple up; dividido para 2". ......58Figura 3.23: Circuito ignitor construido para encender la lámpara de descarga de alta presión..... 59Figura 3.24: Voltaje en los terminales del secundario sin carga ..60Figura 3.25: Interruptor Spark Gap de dos electrodos utilizado para el circuito ignitor. .......60Figura 3.26: Voltaje en los terminales del interruptor de descarga de gas: Spark Gap....... 61Figura 4.1: Característica de Resonancia vs. Frecuencia para las lámparas: B8-9} B10-7 y B8-8 a 35W,... 66Figura 4.2: Resonancia enfundan de la frecuencia para la lámpara B8-9 a 25, 30, y 35 W......... 67Figura 4.3: Característica de resistencia vs. Frecuencia para las lámparas: B8-9, B¡0-7 y 'B8-8 a 35 W. ..69Figura 4.4: Resistencia en función de la frecuencia par a la lámpara de cerámica B8-9 a 25, 30 y 35W. ...77Figura 4.5: Porcentaje de resonancia promedio enfundan de la frecuencia en 10 lámparas tipo D2S.. 74Figura 4.6: Resistencia promedio enfundan de la frecuencia par a las lámparas de cuarzo.......... 75Figura 4.7: Característica de resistencia en fundón de la frecuencia de las lámparas de cuarzo........ 76Figura 4.8: Resistencia enfundan de la frecuencia en el intervalo desde 140 hasta 160 kHz. .....77Figura 4.9: Esquemático del circuito inversor resonante utilizado para los experimentos 80Figura 4.10: Lugar de trabajo y aparatos utilizados. ........82Figura 4.11: Circuito inversor resonante utilizado para los experimentos 83Figura 4.12: Voltaje de salida deltimerNE555 84Figura 4.13: Voltaje de salida del circuito integrado HEF4013B .......84Figura 4.14: Voltaje en los terminales del secundario sin carga..... ¿"5Figura 4.15: Señal de corriente a través de la carga en el circuito resonante. 85
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1: Tabla-de asignaciones del porcentaje de resonancias en la ¡ampara de cerámica 48Tabla 3.2: Tabla de asignaciones del porcentaje de resonancias en la lámpara de cuarzo 50Tabla 4.1 Datos de los parámetros eléctricos de lámparas de cerámica en funcionamiento normal 64Tabla 4.2: Parámetros eléctricos en funcionamiento normal de las lámparas de cuarzo a 35W.... 65Tabla 4.3: Valores de resistencia máximos y mínimos de las lámparas £8-9, B8-8, B10-7 en todo el rango de
frecuencia........ , 70Tabla 4.4 Valores de resistencia máximos y mínimos de las lámparas B8-8, B8-9, B1Q-7 en el intervalo desde 44hasta 70 kHz............... ..70Tabla 4.5: Valores de resistencia máximos y mínimos de la lámpara B8-9 en todo el rango de frecuencia 72Tabla 4.6: Valores de resistencia máximos y mínimos de la lámpara B8-9*desde 50 hasta 72 kffz...... 72Tabla 4.7: Comparación de los valores de resistencia eléctrica en funcionamiento normal y en el rango de
frecuencias libre de resonancias acústicas. 78
RESUMEN
En este proyecto se diseña y construye un dispositivo para suministrar la corriente
apropiada, requerida para activar lámparas de descarga de alta presión.
Osram GmbH, Berlín fabrica actualmente lámparas de descarga de alta presión, las
cuales son aplicadas en sistemas de iluminación para automóviles, denominadas
Xenarc, del tipo D2S. La materia prima para la fabricación del tubo de descarga de
estas lámparas es el cuarzo.
El tubo de descarga es de forma oval y en su contenido interior posee en ciertas
proporciones; mercurio (Hg), gas Xenón (Xe) y metales halógenos como: yoduro de
sodio, y yoduro de escandio.
Cuando pasa una corriente con forma de onda cuadrada a través de los electrodos,
se generan electrones libres e iones positivos, al resultado de esta mezcla se lo
conoce como "plasma". El plasma es el que genera el arco de luz que se observa
dentro del tubo de descarga.
Para generar esta señal cuadrada que alimente a la lámpara, se ha utilizado hasta
ahora un circuito inversor de puente completo el cual convierte la alimentación
continua proveniente de la batería del auto a una señal alterna de forma cuadrada,
este circuito tiene la desventaja de ser voluminoso y de alto costo.
Además, estas lámparas presentan un bajo rendimiento y utilizan un elemento no
reciclable; el mercurio, que es nocivo para el medio ambiente. Por todo esto, se tiene
interés en desarrollar una nueva lámpara y un nuevo balasto para su correcto
funcionamiento. La solución propuesta consiste en desarrollar un inversor resonante
de medio puente a una alta frecuencia de resonancia, para de esa manera reducir el
tamaño de los elementos electrónicos que forman parte del balasto. Esto es ahora
posible gracias al empleo de IGBTs (Insulaíed Gate Bipolar Transistor).
n
Una de las mayores limitaciones para trabajar en alta frecuencia con las lámparas de
descarga de alta presión, es la ocurrencia de ondas de presión estacionarias dentro
del tubo de descarga conocidas comúnmente como resonancias acústicas.
Estas resonancias acústicas se manifiestan en las lámparas como inestabilidades en
el arco de luz, cambios en la posición del arco y cambio del color de la luz. Dichas
inestabilidades pueden ser las causantes de una extinción del arco de luz o en el
peor de los casos de una explosión de la lámpara.
Las resonancias acústicas se presentan solamente a ciertas frecuencias de trabajo,
por lo cual es posible encontrar rangos o ventanas libres de resonancias acústicas.
Para encontrar dichas ventanas se ha analizado el comportamiento de la lámpara a
través de un cierto rango de frecuencias establecido.
Con el objetivo de mejorar las características de la lámpara convencional de cuarzo,
se diseñó al tubo de descarga de la nueva lámpara de forma cilindrica y de menor
tamaño. Además, se utilizó para su construcción un tipo especial de cerámica
llamada zafiro, y a excepción del mercurio se usó elementos típicos en su interior.
El objetivo de este proyecto en particular consistió en encontrar para las lámparas de
cuarzo y para las lámparas de cerámica, la o las ventanas de frecuencia libres de
resonancias acústicas. Para ello se experimentó dentro del rango de frecuencias
entre 20 kHz y 200 kHz con la lámpara de cuarzo y entre 20 kHz y 100 kHz con la
lámpara de cerámica.
La señal cuadrada de corriente proveniente del balasto fue modulada con una onda
senoidal para identificar el rango de frecuencia deseado. Una vez encontrado el
rango de frecuencias donde la lámpara no presenta resonancias acústicas, se eligió
una frecuencia de trabajo para el diseño del circuito inversor resonante.
m
Para observar de mejor manera la ocurrencia de resonancias acústicas dentro del
tubo de descarga de la lámpara, se ensambló un equipo óptico de tal manera que la
imagen en el interior del tubo de descarga fuera proyectado a una pared, donde se
pudiera observar claramente .el movimiento del arco de luz dentro del tubo.
El inversor resonante diseñado, está conformado por un inductor y un capacitor en
serie, calculados para la frecuencia de resonancia. Para el diseño de este circuito se
utilizó un 'pequeño transformador diseñado por OSRAM GmbH, Berlín para éste
propósito.
Una lámpara de descarga de alta presión, se comporta como una resistencia cuando
esta encendida, debido a esto, para comprobar el correcto funcionamiento del
circuito, se utilizó en primera instancia una resistencia de 200 O en lugar de la
lámpara.
Eí circuito funcionó correctamente con la resistencia en las pruebas preliminares,
razón por la cual se comprobó directamente su funcionamiento con una de las
lámparas de cuarzo experimentales; sin embargo, se presentaron grandes
resonancias acústicas.
Las fuertes resonancias provocaron un incremento de presión dentro del tubo de
descarga y ésta a su vez un incremento de corriente que terminó por dañar a los
elementos de conmutación.
Este mismo experimento se repitió con otras lámparas, las que presentaron también
resonancias a pesar de que en el análisis con modulación, no se observó ninguna
resonancia acústica. Por lo cual la empresa decidió dar por terminados los
experimentos y analizar los resultados obtenidos en el laboratorio.
/
De los resultados obtenidos se encontró que para las lámparas de cerámica con un
40% de modulación existen dos rangos de frecuencia libres de resonancias
acústicas, el- primero entre 44 kHz y 70 kHz y el segundo entre 94 kHz y 100 kHz.
rv
De los experimentos posteriores se observó que estas ventanas de frecuencia libres
de resonancias pueden desplazarse al aumentar el porcentaje de modulación.
Se observó además que el espectro de frecuencia de resonancias acústicas es
diferente de lámpara a lámpara, a pesar de que éstas sean del mismo tipo y trabajen
a la misma potencia.
Se deduce además que cada lámpara tiene su propio valor de resistencia eléctrica,
la cual se mantiene aproximadamente constante en todo el espectro de frecuencia,
excepto en el rango donde se presentan grandes resonancias acústicas, donde se
manifiesta un visible incremento de la resistencia.
Por lo cual se puede concluir que para el caso de la lámpara de cerámica, la
característica de resistencia en función de la frecuencia, es un factor decisivo en la
determinación del estado de la misma.
Las mediciones con las lámparas de cuarzo se hicieron con diferentes niveles de
modulación. Para cada frecuencia de trabajo se subió la modulación graduaimente
hasta llegar a un valor donde la lámpara presentara resonancias. En general se
trabajó con porcentajes de modulación mayores al 80%.
Estas lámparas mostraron entre sí un comportamiento diferente de resonancia y
resistencia en función de la frecuencia en todo el rango de frecuencias, excepto en
la pequeña ventana de frecuencia libre de resonancias desde 144 kHz hasta 152
kHz. De ello se dedujo que en ese rango todas las lámparas funcionan sin ninguna
resonancia.
En el intervalo de mayor resonancia, entre 96 kHz y 110 kHz todas las lámparas
tienden a subir el valor de la resistencia. Sin embargo, el incremento de resistencia
no siempre coincide con la aparición de un alto porcentaje de resonancia.
V
Los experimentos se realizaron solamente hasta 200 kHz, pero existe un pequeño
intervalo a partir de 198 a 200 kHz donde tampoco se presentaron resonancias para
ninguna de las lámparas. Por lo cual es recomendable seguir buscando ventanas de
frecuencia libres de resonancias para frecuencias mayores a los 200 kHz.
De todo esto se deduce que las lámparas de cuarzo con las cuales se experimentó
en realidad no tienen ninguna ventana de frecuencia libre de resonancias dentro del
intervalo investigado desde 20 kHz hasta 200 kHz.
Con las lámparas de cerámica no fue posible probar el circuito inversor, debido a su
poca disponibilidad, ya que todavía se encuentran en desarrollo.
Cuando esta investigación eventualmente termine, se espera tener mejor
direccionabilidad de la luz, mayor rendimiento, y mayor facilidad en e! diseño de los
reflectores para autos. Además de tener la ventaja de que la lámpara sea fácilmente
reciclable por el hecho de no usar mercurio.
VI
PRESENTACIÓN
Las lámparas de descarga son de mucho interés en la industria automovilística por el
afán a nivel mundial que existe en mejorar la eficiencia y duración de las lámparas
de los vehículos.
Tal como es conocido, se están emitiendo en los países industrializados leyes que
tienden a procurar que los fabricantes de vehículos introduzcan mejoras en sus
productos tendientes a garantizar una conducción más segura y menos
contaminante.
En el primero de los casos, se han hecho enmiendas a las leyes para, por ejemplo,
convertir en un componente estándar a los "air bags". Así mismo, es importante el
esfuerzo que se ha hecho para mejorar los sistemas de frenos y al momento se
cuenta ya con la tecnología denominada ABS.
Dentro del mismo esfuerzo, compañías de gran prestigio están empeñadas en
mejorar la eficiencia de las lámparas de los vehículos, para contribuir a mejorar la
seguridad en la conducción nocturna.
Dentro de ese esfuerzo mancomunado de varias empresas dedicadas a ese campo,
se ha incluido la empresa OSRAM GmbH, Berlín, la cual está invirtiendo mucho
dinero y esfuerzo para mejorar la eficiencia y rendimiento de un tipo especial de
lámparas para vehículos: las lámparas de descarga de alta presión.
Este trabajo es parte de! esfuerzo en que se halla involucrada esta prestigiosa
empresa alemana.
Para describir de una manera lógica el trabajo aquí realizado, se lo ha dividido en
varios capítulos distribuidos para en forma progresiva cubrir los pasos que se han
dado en esta investigación.
VII
En el primer capítulo " Introducción a las lámparas de descarga3' se hace un
breve preámbulo de lo que son las lámparas incandescentes de uso común y en
forma resumida se trata sobre dos diferentes tipos de lámparas incandescentes,
para luego pasar a explicar, el funcionamiento de las lámparas de descarga,
Una vez entendido el funcionamiento de las lámparas de descarga, se incursiona en
el tema; lámparas de descarga de alta presión con mayor detalle. Con esta
explicación se quiere dar al lector una idea más concreta del funcionamiento,
características eléctricas y clasificación de la lámparas con las que más adelante se
va a trabajar.
Dentro de esta parte teórica, se explica también la formación del plasma dentro de
las lámparas de descarga, tema importante para entender de mejor forma su
funcionamiento.
A este tipo de lámparas de descarga de alta presión pertenecen justamente las
lámparas de auto Xenarc que se usaron para el desarrollo de este trabajo, de las
cuales se recalcan sus ventajas en esta aplicación en particular.
Las lámparas de descarga de alta presión necesitan para funcionar un elemento
limitador de corriente, al cual se lo conoce como balasto, es por ello que para
entender la función que desempeña un balasto, en el Capítulo 2, llamado "Estudio
de los balastos", se explica de mejor manera lo que es primeramente un balasto
convencional y de allí se pasa a explicar detalladamente el funcionamiento de los
balastos electrónicos, enfatizando su funcionamiento a altas y bajas frecuencias.
Se explica además, los circuitos típicos usados en los balastos para este tipo de
lámparas, sus ventajas y desventajas.
Al final de este capítulo dentro de la sección dedicada al funcionamiento en altas
frecuencias, se explica sobre la ocurrencia de las resonancias acústicas dentro de
las lámparas de descarga de alta presión.
vm
En el Capítulo 3, llamado "Pruebas y experimentos realizados", se describe las
lámparas de prueba utilizadas particularmente en este trabajo; así la lámpara de
cerámica es descrita, y seguidamente la lámpara de cuarzo.
Luego, en el desarrollo de este capítulo se menciona el método de modulación
utilizado para la realización de los experimentos en el laboratorio y sobre el
funcionamiento del circuito modulador utilizado en los mismos.
Con el objetivo de que estos experimentos puedan ser fácilmente repetidos en caso
de ser necesario, se hace una breve descripción de los aparatos electrónicos que
formaron parte de la experimentación.
Para tener una medida que exprese la intensidad de las resonancias acústicas
presentes en una lámpara, se hace una clasificación visual de los diferentes tipos de
intensidades, la cual se explica dentro de este capítulo. Cabe recalcar que esta
clasificación es diferente para la lámpara de cerámica y para la lámpara de cuarzo
por lo cual se explican las dos clasificaciones, de manera detallada.
Posteriormente se trata sobre el diseño del circuito inversor resonante, dividiéndolo
en sus partes constitutivas para explicar más detalladamente su funcionamiento.
En el Capítulo 4 llamado "Resultados obtenidos", se analiza los datos encontrados
del comportamiento de la lámpara de cerámica, tanto en funcionamiento normal
como en presencia de resonancias acústicas, así como el cambio en el
comportamiento de sus parámetros eléctricos.
En este capítulo además se presentan los datos obtenidos de los experimentos,
representados a manera de pequeñas tablas resumidas, y gráficos que ayudan a
comprender de mejor manera el comportamiento de las lámparas en los diferentes
estados de funcionamiento, tanto en funcionamiento normal, como en presencia de
resonancias acústicas. Además se realizó gráficos similares relacionando los
parámetros eléctricos de las lámparas con la ocurrencia de resonancias acústicas.
IX
Este estudio se hizo tanto para las lámparas de cerámica como para las lámparas de
cuarzo. Al final de este capítulo se explican cuales fueron los resultados obtenidos
del funcionamiento del circuito inversor resonante.
En el Capítulo 5, "Conclusiones y Recomendaciones", se discute los resultados
obtenidos en el capítulo anterior, sobre la lámpara de cerámica, la lámpara de
cuarzo, y el circuito inversor resonante.
Al final de este capítulo se dan unas breves recomendaciones, basadas en la
experiencia práctica obtenida después de la experimentación con estas lámparas.
Si se requiere conocer las especificaciones de los elementos utilizados en el circuito
inversor, así como las especificaciones técnicas de los aparatos utilizados en detalle,
se pueden encontrar estos datos en los apéndices.
CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN A LASLÁMPARAS DE DESCARGA
1 INTRODUCCIÓN A LAS LAMPARAS DE DESCARGA
El objetivo principal de este proyecto es encontrar un rango de frecuencias, donde
las lámparas de descarga de alta presión puedan' trabajar sin presentar
perturbaciones en la salida de luz que generan.
Para lograr este objetivo es necesario primero conocer como funcionan dichas
lámparas, y los ejementos adicionales que utilizan.
Por ello en este capítulo se explica primeramente las lámparas incandescentes de
uso normal para de esa manera introducir ai lector al estudio de las lámparas de
descarga y mediante ellas a las lámparas de descarga de alta presión.
Se busca destacar las ventajas y desventajas de las lámparas de descarga, para
lo cual se describen las características de las ¡amparas incandescentes a manera
de referencia.
1.1 FUNCIONAMIENTO DE LAS LAMPARAS INCANDESCENTES
Para entender el funcionamiento de las lámparas de descarga de alta presión, se
empieza por describir como funcionan las lámparas incandescentes y se da una
breve definición sobre la luz.
vSe entiende como luz a la radiación electromagnética que provoca una sensación
de claridad en el ojo humano, de tal manera que se puede ver [2] .
Esta radiación está en el rango de longitud de onda entre 380 y 780 nm, que es
una pequeña parte del así denominado espectro de radiaciones
electromagnéticas.
Las lámparas incandescentes son radiadores de temperatura en las cuales
generalmente se utiliza un filamento, cuya base principal es el Tungsteno. El
filamento se coloca dentro de un émbolo de vidrio cerrado al vacío o en una
atmósfera de gas inerte. Al filamento se lo alimenta generalmente con corriente
alterna para volverlo incandescente [3].
1.1.1 LAMPABAS INCAOT3ES GENTES DE TUNGSTENO
El Tungsteno y sus aleaciones se utilizan en la fabricación de filamentos para
lámparas incandescentes y para otras aplicaciones que requieren trabajar a altas
temperaturas y ser resistentes a la corrosión. El filamento de Tungsteno en espiral
libera electrones a altas temperaturas [ 3 ] .
El Tungsteno es un meta! con una estructura cristalina que a temperaturas
superiores a 1650 °C tiene la mayor resistencia a la tensión mecánica de todos los
metales.
La energía calorífica se origina debido a las colisiones de los electrones en las
barras de cristal de Tungsteno, lo cual produce su desgaste. El Tungsteno posee
el punto de fusión más alto de todos los metales (3652 °K) y la presión de vapor
más pequeña. De esta manera los espirales del alambre incandescente de
Tungsteno se convierten en un cuerpo luminoso compacto.
El alambre de Tungsteno puro es inadecuado para la fabricación de las espirales
porque su estructura interna no tiene estabilidad a altas temperaturas de
funcionamiento (2600 hasta 3000 °K). A estas temperaturas ocurre la formación
de grandes partículas de cristal, que finalmente pueden rellenar todo el diámetro
del alambre [3 ] .
El alambre de potasio dopado con Tungsteno en cambio añade la estabilidad
necesaria a la estructura para trabajar en altas temperaturas.
Figura 1.1: Ejemplo de lámparas incandescentes de uso actual fabricadas por OSRAM GmbH.
Las características esenciales de una lámpara incandescente: eficiencia luminosa
y tiempo de vida se garantizan mediante la temperatura del espiral; cuanto más
alta es la temperatura del espiral, tanto más alta es también la eficiencia luminosa,
pero se hace más pequeña su duración de vida. En la Figura 1.1 se muestra un
tipo de lámpara incandescente comercial.
Las lámparas incandescentes de uso general (25 a 200 W) tienen una eficiencia
luminosa entre 9.2 y 15.8 Im/W, una duración de vida cercana a 1000 horas y una
muy buena reproducción cromática [3].
Lámparas incandescentes normales de Tungsteno se han producido desde hace
años para diferentes voltajes de funcionamiento y se han controlado
tecnológicamente sin necesitar de un elemento adicional para su funcionamiento
cuando son abastecidas con energía de la red.
1.1.2 LÁMPARAS INCANDESCENTES HALÓGENAS
Las lámparas incandescentes halógenas con potencias entre 20 y 100 W y flujo
luminoso de alrededor 400 hasta 2000 Im son lámparas de bajo voltaje. Dichas
lámparas se utilizan cuando se requiere de mayor duración de vida, y exigen de
un limitador de corriente para su funcionamiento [4].
4
En los casos más fáciles este limitador de corriente puede ser un transformador
de red, demostrando que ciertas soluciones electrónicas pueden ser pequeñas,
fáciles y sencillas.
El filamento incandescente se comporta como un elemento puramente resistivo.
Por ello se puede afirmar que la corriente y el voltaje de la lámpara son los
parámetros de diseño decisivos para el estado estable de funcionamiento de
estas lámparas. Por otro lado, se debe observar que la resistencia del filamento
frío es 10 veces menor que cuando está caliente.
Para el caso de ruptura del filamento incandescente, es importante garantizar en
el limitador de corriente (balasto) una seguridad para trabajar sin carga [2].
1.2 FUNCIONAMIENTO DE LAS LAMPARAS DE DESCARGA
El uso de descargas de gas excitadas eléctricamente precedió la invención de las
lámparas incandescentes.
Los laboratorios de física de antaño1 así como los actuales han usado una
variedad de tubos rellenos de gas para numerosos propósitos, entre ellos la
generación de luz en la espectroscopia, análisis de materiales, estudios de la
dinámica de gases, y bombardeo láser.
Las lámparas de descarga son usadas en todas las áreas de la tecnología de
iluminación moderna, incluyendo la iluminación fluorescente común para casas y
oficinas, luces traseras de LCD para computadoras de escritorio, lámparas de
descarga de alta intensidad para áreas de iluminación muy eficiente, lámparas de
neón y otros indicadores miniatura, símbolos de neón, flash electrónico para
fotografía, lámparas de arco para la industria, proyectores, etc.
En este trabajo se usará una lámpara de descarga, por lo cual es importante
entender como actúan éstas, y cuáles son sus parámetros eléctricos más
importantes.
1.2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS LÁMPARAS DE DESCARGA
Las lámparas de descarga eléctrica tienen tres grandes virtudes como fuentes de
luz: son conversores de energía eficientes, transformando de 25 % a 30 % de la
energía de entrada en energía de salida luminosa, largo tiempo de vida (10.000
horas o más) y tienen un mantenimiento excelente de la luz de salida, liberando
típicamente al final de su vida entre 60 % a 80 % de la luz inicial [5].
Figura 1.2: Ejemplo de diferentes tipos de lámparas de descarga de baja presión
Naturalmente estas lámparas también tienen desventajas: son relativamente
costosas, requieren de un aparato auxiliar para limitar la corriente en la lámpara y
no funcionan bien en corto tiempo de servicio. En constraste con las lámparas
incandescentes, las lámparas de descarga de gas no tienen filamento y no
producen luz como resultado de algún sólido calentado.
Mas bien, los átomos o moléculas del gas en el interior del tubo de vidrio, cuarzo,
o cerámica translúcida, son ionizados por el paso de una corriente eléctrica a
través del gas, una radio frecuencia o un campo de microondas en la proximidad
del tubo [5].
La ionización de las moléculas del gas dentro del tubo de descarga, da paso a la
formación del llamado "plasma" cuya formación y características especiales se
explicarán en la siguiente sección.
En la Figura 1.2 se muestran diferentes modelos de lámparas de descarga de
baja presión. El color depende de la mezcla de gases u otros materiales dentro
del tubo así como también de la presión, el tipo y cantidad de la corriente eléctrica
o capacidad de radiofrecuencia.
1.2.2 EL PLASMA EN LAS LÁMPARAS DE DESCARGA
Se necesitan altas concentraciones de electrones libres en un gas para obtener el
número máximo de colisiones entre sus átomos. Los electrones libres se repelen
unos a otros, lo cual haría imposible obtener el número necesario de electrones
libres en un tubo lleno de gas, excepto por el hecho de que los electrones
cargados negativamente se mezclan con un número casi igual de átomos que han
perdido un electrón atómico (iones positivos).
De hecho, muchos de ios procesos que proveen electrones libres,
simultáneamente producen iones positivos; el mismo proceso de colisión que
produce la excitación de las nubes electrónicas, puede también provocar la
expulsión de un electrón libre desde un átomo, dejando una carga positiva
remanente o ion.
El resultado de esta mezcla de electrones e iones positivos en una lámpara de
descarga se denomina plasma y posee ciertas propiedades únicas, derivadas de
la atracción mutua entre los' electrones e iones cargados de manera opuesta y la
repulsión mutua entre iones y entre electrones [1].
La más importante de estas propiedades es que en el plasma, la concentración
local de electrones es aproximadamente igual a la concentración local de iones.
7
El plasma en las lámparas de descarga eléctrica esta encerrado generalmente
dentro de un tubo de vidrio lleno de gas, y es creado por el paso a través del gas
de una corriente inyectada o extraída mediante electrodos.
Una segunda propiedad importante del plasma en las lámparas de descarga es su
comportamiento dentro de una superficie limitada, la corriente no puede fluir a
través de las paredes del tubo, por lo cual la corriente de los iones positivos y
electrones negativos debe ser la misma [5].
1.2.3 CARACTERÍSTICA DE CORRIENTE EN FUNCIÓN DE VOLTAJE
En fas lámparas de descarga, si la corriente se incrementa, el arco eléctrico se
calienta. Esto incrementa tremendamente la concentración de iones y electrones
libres, haciendo el arco eléctrico mucho más conductivo [3].
La conductividad del arco se incrementa de tal manera que la corriente crece
indefinidamente, mientras el voltaje en el arco usualmente permanece constante o
incluso disminuye. Esta característica se muestra gráficamente en la Figura 1.3.
Vz; Voltaje de encendido
VBr; Voltaje de servicio
Figura 1.3: Característica de la corriente de la lámpara en función de su voltaje.
Una vez que la lámpara empieza a conducir, incrementando la corriente, se
incrementará la conductividad de la lámpara, permitiendo más flujo de corriente.
Este incremento de la corriente a través de la lámpara trae como resultado un
decremento del voltaje por lo cual se utiliza el término "resistencia negativa", para
nombrar a la característica de corriente en función del voltaje de una lámpara de
descarga [1].
Debido a la característica de resistencia negativa de esta lámpara, se tienen más
descargas en el gas, y las lámparas presentan una ¡mpedancia negativa, por lo
cual es preciso instalar una reactancia en serie que haga a la vez de bobina de
choque (balasto).
La reactancia limita la corriente y produce la fuerza electromotriz inducida
necesaria para ionizar el gas y producir el encendido de la lámpara, solamente asi
es posible encontrar el punto de trabajo de la lámpara sin que esta se dañe por el
exceso de corriente [25].
Existe una caída de voltaje en el choque del balasto, lo que significa que el voltaje
a través de la lámpara es menor que el voltaje de línea. Para una operación
razonablemente buena y segura, el voltaje de línea debe ser típicamente mayor
que dos veces el voltaje de la lámpara.
1.3 LÁMPARAS DE DESCARGA DE ALTA PRESIÓN
Otra posibilidad de obtener mayor salida de luz es la descarga a alta presión.
En una lámpara de alta presión, el promedio de energía cinética de los electrones
ubres (temperatura del electrón) es solamente un poco más alta que la
temperatura del gas en la descarga.
Se puede pensar en el gas o vapor como un radiador de temperatura, el cual es
usualmente espectralmente selectivo y radía principalmente en líneas espectrales
específicas.
Figura 1.4: Ejemplo de diferentes tipos de lámparas de descarga de alta presión
Las lámparas de alta presión son a menudo llamadas lámparas de descarga de
aíía intensidad, o lámparas HID. Las lámparas HID (High Intensity Discharge
Lamp) han sido usadas por largo tiempo en calles, estadios y fábricas.
Recientemente han aparecido nuevos modelos de tamaños más pequeños que
son utilizados para exteriores y aplicaciones tales como la prevención del crimen.
En la Figura 1.4 se pueden observar algunos modelos de este tipo de lámpara.
Al igual que otras lámparas de descarga, estas requieren de un balasto especial
para cada tipo y potencia. Durante el proceso de encendido, se establece una
descarga de baja presión en los gases. Esto produce poca luz pero calienta el
metal contenido dentro del tubo y éste se evapora gradualmente.
Cuando esto pasa, la presión incrementa y la luz empieza a producirse por la
descarga a través del vapor de metal a alta presión. La salida de luz incrementa
dramáticamente en un minuto o más.
Algunas lámparas de descarga de alta presión generan internamente luz
ultravioleta. A menos que sea diseñada para generar luz ultravioleta, para
propósitos medicinales, grabación de fotografía, etc. la radiación de onda corta
puede ser bloqueada por el vidrio exterior y/o una película de fósforo.
10
1.3.1 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS
Las lámparas de descarga están compuestas internamente por metales
halógenos y gas Xenón. Los átomos de estos elementos necesitan una corriente
eléctrica para ionizarse y de esa manera obtener una alta presión de gas dentro
del tubo de descarga. Esta alta presión dentro del tubo de descarga lleva a la
formación del plasma, el cual entrega la salida de luz.
Estas lámparas deben cumplir con ciertas demandas de calidad de luz, larga vida
de operación, así como buena eficiencia luminosa. Las características eléctricas
de la lámpara son las que deben hacer esto posible.
Algunos de los parámetros que pueden afectar la operación y características de la
lámpara, así como también sus parámetros eléctricos son [5];
• La posición de trabajo, la cual afecta al balance de calor en el tubo de
descarga
• El espesor de las paredes del tubo de descarga, el cual afecta a la
temperatura del mismo
• El material del tubo de descarga
• El gas de relleno dentro del tubo de descarga
• El tipo y proporción de metales halógenos utilizados
• El espacio atrás de los electrodos dentro del tubo de descarga
• El espacio o distancia entre los electrodos
• La dimensión de los electrodos ; y
• El material del emisor (extremo de los electrodos).
1.3.1.1 Voltaje de trabajo de la lámpara
El voltaje de trabajo de la lámpara depende de la presión de vapor de los gases
en el interior del tubo, su composición, peso y temperatura, así como de la
1-1
dimensión del tubo, especialmente el diámetro, del espacio entre los electrodos y
el espacio atrás de los electrodos [1].
Todas las lámparas de descarga requieren de un balasto para su funcionamiento,
parte del voltaje aplicado cae en los terminales de la lámpara y parte en el
balasto.
Puesto que las pérdidas de potencia en el balasto se incrementan con la corriente
y el voltaje, resultaría ventajoso mantener bajo e! voltaje en el balasto tal que el
voltaje en la lámpara pueda ser lo más alto posible. Mientras más bajas son las
pérdidas en el balasto, mayores la eficiencia del circuito de la lámpara.
Pero una vez elegido el voltaje de la lámpara como una cantidad fija, es el balasto
el que tendrá que absorber las fluctuaciones del voltaje principal.
1.3.1.2 Corriente de trabajo de la lámpara
Una vez que la lámpara se enciende el voltaje en sus terminales empieza a
disminuir y la corriente incrementa sin límite. Esto se debe a la característica de
resistencia negativa presente en las lámparas de descarga de alta presión.
Una pequeña variación en el voltaje de la fuente de alimentación producirá una
fuerte fluctuación de la corriente en la lámpara, lo cual no permite a la misma
trabajar en estado estable [14].
Para que la lámpara pueda funcionar en condiciones óptimas de estado estable,
se necesita un elemento limitador de corriente para que la lámpara no tenga que
soportar esas altas corrientes a este elemento se lo llama balasto.
12
1.4 LAMPARAS PARA AUTOS
Las lámparas para auto Xenarc tipo D, son lámparas de descarga de gas de alta
presión, las cuales serán utilizadas en este trabajo para su experimentación. La
lámpara mostrada en la Figura 1.5 es similar en su diseño básico a la lámpara
HID tradicional: dos electrodos están sellados en un recubrimiento de cuarzo a lo
largo.con una mezcla de sólidos, líquidos y gases.
Cuando la lámpara se encuentra fría, estos elementos están en su estado nativo
(a la temperatura ambiente) pero en la mayoría de los casos pasan a gases
cuando la lámpara está caliente.
Figura 1.5: Lámpara de descarga de alta presión tipo D. DenominaciónrOSRAM Xenarc D1S
1.4.1 FUNCIONAMIENTO
Las lámparas de auto Xenarc tipo D2S, a parte del circuito de encendido o ignitor
utilizan un balasto, el cual proporciona según fas normas establecidas una onda
cuadrada. Esta onda tiene una parte positiva llamada "a" y otra parte negativa "b",
como puede observarse en la Figura 1.6.
13
A ia relación de a/b se la llama relación de trabajo, si a=b se considera que la
relación de trabajo es del 50 %. El balasto para este tipo de lámparas proporciona
una onda cuadrada con una relación de trabajo del 50% ± 1% y un voltaje de 85 ±
17 V. Este balasto trabaja a una potencia de 35 ± 3 W y una frecuencia desde 250
hasta 750 Hz.
a/b: relación de trabajo
Figura 1.6: Gráfico de la relación de trabajo de la onda cuadrada
La lámpara requiere para encenderse de un pulso máximo de 23 KV o más para
producir un arco eléctrico, este alto voltaje es generado por el '¡gnitor. Una vez
producido el arco eléctrico se necesita para mantener este arco de luz un voltaje
máximo de la lámpara < 117 V, el cual es generado por el balasto [6].
Como balasto se utiliza comúnmente un circuito de puente completo, el cual tiene
la desventaja de ser relativamente caro y voluminoso. La lámpara Xenarc tipo
D2S utiliza como gas de relleno para el tubo de descarga al Xenón a una presión
de 8 bar y produce un flujo luminoso de 3200 ± 450 Im [28].
Entre los problemas que se tiene con estas lámparas, uno de los más
significantes es el tiempo de calentamiento. Las lámparas HID comunes requieren'
de un período de calentamiento de unos pocos minutos antes de que se produzca
una salida de luz substancíalmente completa. Esto es totalmente inaceptable para
una lámpara de auto tanto como para encendido en frío como para cuando se
necesita hacer señales luminosas [27].
14
El problema de calentamiento fue resuelto controlando electrónicamente la
potencia en la lámpara de tal manera que se mantenga dentro de los límites
establecidos para los balastos tradicionales y usando un alto voltaje de
encendido, que obliga a los átomos a ionizarse rápidamente y formar el arco de
luz. De esta manera, junto con un diseño especial del reflector, la lámpara se
enciende por lo menos al 75 % de su intensidad total en 2 s.
1.4.2 VENTAJAS
Los últimos modelos de automóviles como BMW, Porsche, Audi, Lexus, y ahora
Lincoln vienen equipados con esta nueva tecnología. En la Figura 1.5 se muestra
una de estas lámparas para autos fabricadas por OSRAM GmbH, Berlín.
Estos reflectores delanteros para autos como se los llama, tienen ventajas
potenciales entre ellas están: alta intensidad, larga vida, color superior y mejor
directividad, las cuales se explican con mayor detalle a continuación [29]:
Intensidad de luz.- Estas lámparas tienen una eficiencia tres veces mayor que
las lámparas halógenas, las cuales se utilizan también como reflectores
delanteros. Por lo tanto, incluso cuando la eficiencia del balasto es tomada en
consideración, la baja potencia de entrada puede traducirse en un reflector
delantero más luminoso de lo que es posible con bulbos halógenos. Esta potencia
reducida también lleva a operación mas fría y menor drenaje en la batería y e!
alternador.
Tiempo de vida.- Se puede esperar un tiempo de vida de 2700 horas o más y de
esa manera se cubrirá 100.000 millas de recorrido, esta garantía representa sin
embargo un gasto económico alto.
Salida espectral.- La luz de dicha lámpara es más rica en azul (y más que la luz
del día) que los bulbos halógenos. Esto da como resultado el mejoramiento de
reflecíividad de señales y marcas en el camino.
15
Patrón de brillo.- La pequeña talla del arco de la lámpara HID permite al sistema
óptico ser optimizado para dirigir la luz más efectivamente hacia donde se
necesita y prevenir la disminución del brillo donde no se desea. Lo cual deriva en
una mayor facilidad de diseño para los reflectores.
CAPITULO 2
ESTUDIO DE LOS BALASTOS
16
2 ESTUDIO DE LOS BALASTOS
La formación del plasma dentro del tubo de descarga conduce al incremento del
número de electrones libres lo cual puede llegar a ser peligroso. La continua
ionización de los átomos y moléculas del gas, pueden llevar rápidamente a un
incremento ilimitado de la corriente eléctrica a través del tubo de descarga en
otras palabras, se puede llegar a un cortocircuito [5]. Este comportamiento es lo
que se describe como de "resistencia negativa".
Para prevenir esto se debe incluir una impedancia en el circuito, para que limite la
corriente que circula por la lámpara y la red, este elemento limitador de corriente
es llamado balasto.
Todas las lámparas de descarga de alta presión requieren de un balasto para su
funcionamiento con corriente alterna, por ello se explicará en este capítulo su
funcionamiento.
2.1 BALASTOS CONVENCIONALES
Un balasto básico no es más que una bobina o un simple transformador con una
muy alta impedancia de bobinado secundario, los cuales sirven como limitadores
de corriente [27].
Esta impedancia limitadora podría teóricamente ser tanto un inductor, como un
resistor o capacitor. Pero un simple resistor usado como elemento limitador de
corriente no es usualmente económico por su alto consumo de potencia.
Un capacitor en serie tendría también el efecto limitador deseado, pero la
distorsión en corriente es demasiado elevada, provocando altos picos de corriente
que a su vez afectan la vida útil de los electrodos.
17
Al utilizar un inductor ("choke"), el valor de la impedancia inductiva y del voltaje
aplicado determinan la magnitud de la corriente en el tubo de descarga,
manteniendo la corriente entre los límites requeridos, lo cual es esencial para la
operación de la lámpara.
2.2 BALASTOS ELECTRÓNICOS
Los balastos electrónicos actuales, no solamente sirven como [imitadores de
corriente sino que también cumplen funciones adicionales. En el caso de una
lámpara fluorescente por ejemplo, se incluye dentro del balasto también los
circuitos para corrección del factor de potencia, filtros de armónicos, etc.
En este trabajo se utilizará la lámpara de auto Xenarc tipo D. Un balasto para una
lámpara de auto Xenarc tipo D recibe potencia desde un sistema eléctrico
automotriz estándar de 12 VDC y en su configuración básica entrega la potencia en
la forma requerida para empezar y mantener la salida de luz del arreglo de la
lámpara [6].
El balasto para una lámpara de auto Xenarc tipo D debe entregar 35 W a la
lámpara cuando el voltaje en los terminales de la lámpara está entre 70 y 110 V.
Cuando este voltaje es menor, el balasto debe entregar como valor mínimo 0.5 A
y máximo 2 A, tratando de mantener la potencia de la lámpara constante [6] .
La forma de onda de la corriente alterna aplicada a una lámpara de auto es
tradicionalmente una onda cuadrada o aproximadamente cuadrada [6].
Este tipo de lámparas requieren de un pulso de arranque, si se alimenta a la
lámpara con un voltaje de 7 KV se obtendrá una chispa mediana a través de estos
bulbos. En automóviles se requiere reencender el bulbo caliente con alta presión
de vapor, por lo cual se necesita un voltaje todavía mayor. Los balastos usuales
producen un pulso de encendido de 18 KV mínimo, y 20 KV típico [6].
18
El balasto debe abastecer un voltaje de circuito abierto de 380 a 550 V o mayor,
para forzar al arco a estabilizarse. Una vez establecido el arco, el balasto debe
cumplir su función de limitar la corriente. El voltaje a través de la lámpara es
normalmente alrededor de 80 a 90 V cuando está caliente. En resumen, podría
decirse que el balasto realiza funciones de conversión y control.
Las lámparas de descarga de alta presión con las cuales se trabajó en este
proyecto no pueden trabajar con corriente continua, por varias razones.
La primera razón es que la característica de resistencia negativa obliga a tener
una limitación de corriente (inductor) para el funcionamiento de la lámpara, lo cual
implica tener una corriente alterna. Tener una corriente continua en este caso
significaría usar una resistencia como limitadora de corriente lo cua! resulta en
pérdidas muy grandes de potencia [25].
La segunda razón es que las lámparas de descarga de alta presión trabajan con
electrodos los cuales constan de un ánodo y un cátodo, si se tiene corriente
continua uno de ellos se calienta demasiado y se disuelve. Por eso es necesario
cambiar la polaridad de la corriente para que los dos lados del electrodo tengan la
misma temperatura (mientras el uno esta caliente el otro pueda enfriarse y
viceversa) [24].
Existen lámparas de descarga que trabajan con corriente continua, pero para ello
se construyen los electrodos de un grosor diferente. Este no es el caso de las
lámparas utilizadas en este proyecto, donde tanto el ánodo como el cátodo
poseen el mismo grosor [24].
2.2.1 FUNCIONAMIENTO EN BAJAS FRECUENCIAS
En esta sección se analizará la forma como trabaja un balasto a baja frecuencia, y
el circuito comunmente utilizado.
19
Un balasto para lámparas de auto convencional trabaja a frecuencias entre 250 a
750 Hz y utiliza en su diseño un circuito de puente completo.
El balasto genera una forma de onda cuadrada que alimenta a la lámpara. Para
entender de mejor manera el comportamiento de este circuito, a continuación se
explica su funcionamiento.
2.2.1.1 Circuito de puente completo
Un circuito de puente completo o configuración tipo puente puede actuar como
rectificador de onda completa si tiene una señal alterna a la entrada y como
inversor si tiene una señal continua a la entrada. En este caso se utilizará al
circuito de puente completo como inversor para la operación de la lámpara.
La entrada del inversor es un voltaje de continua y la salida es una onda cuadrada
de la frecuencia deseada. Este inversor DC/AC utiliza una configuración tipo
puente completo de dos niveles.
Este circuito requiere de cuatro interruptores conectados como se muestra en la
Figura 2.1;
Vin
S1
Load
Vo
S3
S2
S4
Figura 2.1: Circuito de puente completo básico con una señal continua a la entrada (oscilador).
20
Al principio S1 y S4 permanecen cerrados por un intervalo de tiempo, mientras S2
y S3 permanecen abiertos. Así la carga, en este caso la lámpara tiene un voltaje
de salida Vo como se muestra en la Figura 2.1.
En el segundo intervalo de tiempo, los interruptores S2 y S3 se cierran mientras
que S1 y S4 se abren simultáneamente, así la polaridad del voltaje Vo de salida
cambia para el mismo intervalo de tiempo, teniendo como resultado una señal
como se muestra en la Figura 2.2.
Vin
-Vin
Vo(í)
time
Figura 2.2: Voltaje de salida del circuito de puente completo actuando como oscilador
Los interruptores se conectan de tal forma que S1 y S4 no puedan encenderse al
mismo tiempo que S2 y S3, con lo cual no se permite que haya superposición en
(as fases de conducción.
Estos interruptores pueden ser reemplazados por cualquier otro elemento con las
mismas características: BJT, tiristores, MOSFETs, GTO o IGBTs según el tipo de
aplicación que se requiera.
2.2.2 FUNCIONAMIENTO EN ALTAS FRECUENCIAS
Para disminuir las pérdidas de potencia en las lámparas, se podría aumentar la
inductancia, pero al hacerlo aumenta el peso del balasto también. Por lo que se
prefiere manipular la frecuencia de funcionamiento para reducir el tamaño del
inductor.
21
La posibilidad del funcionamiento a altas frecuencias para las pequeñas lámparas
de descarga de alta presión es interesante porque, gracias a ello, pueden
construirse balastos electrónicos compactos y de menor costo [26].
El trabajo a alta frecuencia implica la disminución del tamaño de los elementos
electrónicos que forman parte del balasto. Por otro lado, el valor de la frecuencia
de trabajo estará limitada por. la velocidad de switcheo de los elementos de
conmutación utilizados.
Por esto y por otras ventajas que se citarán a continuación, en este trabajo se
investiga la posibilidad de trabajar a altas frecuencias con un nuevo modelo de
/amparas para auto, que se está desarrollando.
Para elegir una frecuencia de trabajo apropiada para el balasto se debe tomar en
cuenta los siguientes puntos [2]:
• Para prevenir efectos acústicos se desea que la frecuencia seleccionada esté
fuera de la región audible, esto es mayor a 18 kHz.
• Las pérdidas de potencia debido a los elementos de switcheo incrementa con
el incremento de la frecuencia.
• La radiación de las lámparas de descarga en forma de ondas
electromagnéticas incrementa con el incremento de la frecuencia.
• Los balastos no deben operar a la misma frecuencia de operación de otros
aparatos eléctricos como la televisión, radio, etc para no producir interferencia.
• El trabajo a altas frecuencias causa resonancias acústicas en las lámparas,
por lo que será necesario la búsqueda de una región de frecuencias libre de
dichas resonancias, para poder trabajar en forma estable.
Para trabajar a altas frecuencias en este trabajo se quiere utilizar la disposición de
medio puente en el diseño de los balastos para lámparas de descarga de alta
presión, estos circuitos tienen un voltaje de continua a la entrada y generan una
onda aproximadamente sinusoidal a la salida.
22
A continuación se explicará de forma detallada el funcionamiento básico de este
circuito.
2.2.2.1 Circuito de medio puente
Este circuito de medio puente o también llamado inversor resonante en serie o
inversor de medio puente se basa en la oscilación resonante de la corriente. Los
componentes de conmutación se colocan en serie con la carga a fin de formar un
circuito subamortiguado.
En la Figura 2.3 se muestra el esquema básico de este circuito, donde la carga
sería la lámpara de descarga de alta presión y los interruptores escogidos para
este trabajo por su alta frecuencia de conmutación son IGBTs.
Los IGBTs son elementos controlados por una entrada de voltaje en lugar de
corriente como los transistores, pueden trabajar con grandes potencias, y tienen
un tiempo de transición de encendido y apagado muy pequeño, por estas
características se los escogió en este trabajo [31].
Este tipo de inversor produce una forma de onda aproximadamente senoidal para
una frecuencia de salida alta. Debido a esta alta frecuencia de conmutación, el
tamaño de sus componentes es pequeño.
Los interruptores S1 y S2 deben trabajar de modo que no se enciendan al mismo
tiempo y sus fases de conducción no se superpongan.
Cuando el interruptor S2 se cierra y 31 se abre, el capacitor se carga rápidamente
con el voltaje de la fuente y se crea un campo magnético alrededor de la bobina,
la cual almacena la energía de la fuente.
23
Vin
Figura 23: Diagrama básico de un circuito de medio puente o inversor resonante
Luego el interruptor S2 se abre y 31 se cierra permitiendo así que el capacitor se
descarge a través del inductor y la carga, creando un campo magnético en el
inductor en sentido contrario al de la fuente.
Una vez que el capacitor se ha descargado completamente, la bobina devolverá
al circuito la energía almacenada, la cual cargará al capacitor en la dirección
opuesta, el ciclo se repite una y otra vez, teniendo como resultado una señal
alterna deforma sinusoidal [31].
2.2.2.2 Resonancias acústicas
Uno de los mayores obstáculos en la utilización de balastos electrónicos que
funcionen a altas frecuencias con las lámparas de descarga de alta presión es el
fenómeno de resonancias acústicas, las cuales se presentan como
inestabilidades en la salida de luz de la lámpara.
Las inestabilidades pueden ser de intensidades muy diferentes: desde baja
agitación de la aureola de la lámpara hasta el movimiento del arco, el cuai
ocasiona grandes oscilaciones en la potencia y la corriente de la lámpara.
24
Con resonancias fuertes, (a descarga puede llegar a apagarse en las paredes del
tubo y llevar mediante sobrecarga térmica a la explosión de la lámpara en poco
tiempo. Las aparentes bajas inestabilidades de! arco ocasionan cambios en la
eficiencia luminosa y la temperatura de color y/o la distribución espectral de la
emisión luminosa [30].
El fenómeno de las resonancias acústicas ocurre debido a que la potencia de
entrada periódica causa fluctuaciones de presión dentro del tubo de la lámpara. Si
la onda de presión propagada tiene una frecuencia cercana a una de las
frecuencias intrínsecas de la lámpara, aparecerán ondas viajeras [20].
Estas ondas viajan y se reflejan en las paredes del tubo de descarga. El resultado
son ondas estacionarias con grandes amplitudes, las cuales distorsionan el flujo
de luz por lo que la salida de luz parpadea.
Hay diferentes parámetros relacionados con las frecuencias intrínsecas de la
lámpara, que pueden influenciar en la ocurrencia de resonancias acústicas. Entre
ellas se tiene el tipo de gas y la presión interior, la geometría de! tubo, el tamaño
de los electrodos y la distancia entre ellos, la temperatura ambiente, además de la
frecuencia, la potencia eléctrica de manejo y su intensidad.
Todos estos factores hacen de las resonancias acústicas un problema difícil para
predecir o para ser resuelto por expresiones analíticas.
Se conoce que en lámparas con forma esférica o terminales de tubo esférico se
presentan más comúnmente resonancias acústicas, luego se presentan en menor
número en lámparas con terminales planos o angostos y por último en tubos
cilindricos [20].
Entre el rango de frecuencias inestables existen ventanas de frecuencia angostas
o también anchas que están libres de resonancias, en las cuales la lámpara
puede trabajar con parámetros de luz constante.
25
Para disminuir o eliminar el fenómeno de resonancias acústicas, se han propuesto
muchos circuitos de balastos electrónicos aproximados tales como:
o operación a una frecuencia específica,
o operación a baja frecuencia,
o operación a ultra alta frecuencia,
o modulación de frecuencia.
Entre las cuales, parece ser la más eficiente y de costo efectivo la operación de la
lámpara a una frecuencia lejana a la frecuencias de resonancia acústica. Sin
embargo, este método requiere la identificación de los rangos de frecuencia en los
cuales no ocurren resonancias acústicas [20].
La salida de luz inestable (resonancias acústicas) es usualmente observable
mediante la vista. El objetivo de este trabajo consistió precisamente en buscar
estos rangos de frecuencia donde la lámpara no resuene. Una vez encontradas
las diferentes ventanas de funcionamiento estable se verificará la posibilidad de
trabajar con una onda aproximadamente sinusoidal a la frecuencia encontrada.
La lámpara hacia la cual se orienta esta investigación, esta siendo desarrollada
paralelamente por otro equipo de trabajo quienes mediante la manipulación de la
geometría del tubo de descarga y otros parámetros tienen el objetivo de encontrar
una lámpara con mejores características que las existentes actualmente y con la
geometría adecuada de tal manera que se genere un menor número de
resonancias acústicas.
Mediante estas investigaciones se quiere obtener una nueva lámpara de auto
mejorada, capaz de trabajar sin resonancias acústicas en altas frecuencias de
trabajo, con un balasto más pequeño y de menor costo.
CAPITULO 3
PRUEBAS Y EXPERIMENTOSREALIZADOS
26
3 PRUEBAS Y EXPERIMENTOS REALIZADOS
En los dos capítulos anteriores se explicó sobre el funcionamiento de las
lámparas de descarga de alta presión y sobre la importancia de los balastos para
su funcionamiento.
Este capítulo explica la manera como se realizaron los experimentos, o dicho de
otra manera los métodos utilizados para la experimentación. Tratando de
encontrar los rangos libres de resonancias acústicas, los métodos y técnicas que
se emplearán son:
• Método de modulación
• Medición de resonancias acústicas
• Circuito inversor resonante
Se describe además brevemente los elementos principales utilizados en los
experimentos, la mayoría de los cuales son enumerados a continuación:
• Lámparas de prueba: de cerámica y de cuarzo
• Circuito modulador
• Osciloscopio digital TEKTRONIX TDS 784C
• Generador de funciones HAMEG INSTRUMENTS HM 8030-4
• Fuentes de voltaje continuo: 0-20 V; 0-750 V; 0-30 kV
• Medidor digital de potencia YEW Model 2533
• Balasto electrónico variable OSRAM
• Sistema de bombeo turbo-molecular
• Resistencias COUDOINT: P1 =1000 Q, 1=0.56 A; P2=100 O, 1=1.75 A
• Sistema óptico OWIS
• Lente regulable: 4.5/75 mm CARL ZEISS JENA
• Lente no regulable: 100 mm FOSTEC
27
Todos estos elementos como el osciloscopio, otros aparatos de medición y las
fuentes de voltaje utilizadas se describen con la finalidad de que los experimentos
puedan ser reproducidos si es que esto llegara a ser necesario.
Si se desea conocer con mayor detalle estos aparatos, en el Anexo B se pueden
encontrar sus especificaciones.
3.1 LÁMPARAS DE PRUEBA
En esta sección se describen los dos tipos de lámparas usadas para los
experimentos con modulación: la lámpara de cerámica y la lámpara de cuarzo.
3.1.1 LÁMPARA DE CERÁMICA
En el primer experimento no se utilizó la lámpara completa sino solamente su
parte interior llamada quemador, esta parte interior de la lámpara es en realidad
donde se produce la descarga de alta presión (tubo de descarga).
Figura 3.1: Tubo de descarga B8-9 utilizado en el primer experimento con modulación
En la Figura 3.1 se muestra un gráfico del tubo de descarga llamado B8-9 que se
empleó para los primeros experimentos.
28
El material de este tubo de descarga corresponde a una clase especial de
cerámica llamada zafiro, la cual se encuentra en desarrollo en Estados Unidos,
por lo que actualmente se tiene muy pocos ejemplares disponibles.
Se espera que debido a su nueva geometría cilindrica, se podrá utilizar mayor
porcentaje de la luz producida, se podrá diseñar reflectores más fácilmente, y se
podrá también direccionar mejor la luz.
En este caso, el arco de luz no será un arco, propiamente dicho como en las
lámparas de cuarzo, sino más bien llenará el área interior del tubo, por lo que ésta
lámpara presenta una distribución luminosa diferente con respecto a la lámpara
de cuarzo.
La nueva lámpara de cerámica tiene además la importante ventaja, con respecto
a las lámparas de anterior fabricación, de que no utiliza el Mercurio (Hg) en su
composición, el cual es un material no reciclable y venenoso; por lo tanto muy
nocivo para el medio ambiente.
Es aquí, dentro de este pequeño tubo de descarga donde se encuentran los
electrodos y, a excepción del mercurio, los componentes principales en el relleno
de esta lámpara son prácticamente los mismos que en la lámpara de cuarzo:
Xenón, yoduro de sodio, yoduro de escandio.
Con este tubo de zafiro se realizó el primer experimento con modulación descrito
a continuación dentro de este Capítulo, en un rango de frecuencias de 20 a 100
kHz en pasos de 2 kHz.
Para lograr el vacío alrededor del tubo de descarga, se lo colocó dentro de un
tubo de vidrio como se muestra en la Figura 3.2.
29
Tubo de Tidrio
Figura 3. 2: Tubo de descarga dentro del tubo de vidrio al vacío para el primer experimento
Este tubo de vidrio fue conectado a un sistema de bombeo para conseguir e!
vacío en su interior, de esa manera se pudo simular una lámpara terminada.
Para producir el vacío dentro del tubo de vidrio se necesita un sistema de bombeo
turbo-molecular constituido por una turbo-bomba, una bomba de respaldo y un
conversor electrónico de frecuencia. En el Anexo B se puede observar con mas
detalle, cada parte de dicho sistema para entender mejor su funcionamiento.
El sistema de bombeo turbo molecular PT50 de LEYBOLD AG comprende de una
bomba de aspas rotatorias de dos etapas, como bomba de respaldo, una bomba
turbo-molecular, un conversor de frecuencia de estado sólido, dos válvulas y un
medidor de presión de vacío. La lámpara necesita para encenderse una presión
de vacío de 3x10"4 mbar.
3.1.2 LAMPARA DE CUARZO
Debido a la poca disponibilidad de los tubos de zafiro, se usó para los
experimentos posteriores lámparas de descarga de alta presión para autoXenarc
tipo D, como la mostrada en la Figura 3.3.
30
Los recipientes de descarga de estas lámparas tipo D son de cuarzo. Estas
lámparas se encuentran ¡ncursionando en el mercado actual. El modelo de esta
lámpara es : OSRAM XENARC D2S, 35 W.
Con estas lámparas se realizó el segundo experimento usando el método de
modulación, descrito en las siguientes secciones, para encontrar un rango de
frecuencias libre de resonancias acústicas.
Bulbo Electrodos
1
DO
Figura 33: Estructura de una lámpara de descarga de alta presión Xenarc tipo D2S
Para verificar si las lámparas se comportan de manera similar (es decir, tienen la
misma ventana de frecuencias libre de resonancias acústicas), se realizó el
mismo experimento con 10 lámparas del mismo tipo, en un rango de frecuencias
desde 20 a 200 kHz en pasos de 2 kHz.
Cabe recordar que el tubo de descarga de cuarzo, presentó el problema que
debido a su geometría produce resonancias en todas las direcciones de su
geometría cuando se trabaja a altas frecuencias.
31
Por ello se desarrolló una nueva geometría con la expectativa de que este nuevo
tubo de cerámica, con una nueva geometría, presente un rango de valores de
frecuencia donde actúe de manera estable.
3.2 MÉTODO DE MODULACIÓN
Las lámparas de descarga de alta presión con las que se trabaja funcionan
normalmente con un voltaje cuadrado de baja frecuencia generado por el balasto
electrónico.
Puesto que uno de los objetivos de este trabajo es encontrar un rango de
frecuencias donde las lámparas no presenten resonancias acústicas, se analizó el
comportamiento de las mismas en un intervalo de frecuencias desde 20 kHz a
200 kHz.
Para poder realizar experimentos con estas lámparas en altas frecuencias, y de
esa manera encontrar un rango de frecuencias libre de resonancias, se moduló la
onda cuadrada con una onda senoidal. Si se trabaja directamente con una onda
sinusoidal, se puede llegar a dañar las lámparas.
La técnica de modulación tenía como fin transformar la forma de onda original a
una forma de onda más adecuada para la aplicación requerida.
En este caso se utilizó la modulación de amplitud, que consiste en mezclar una
señal moduladora de amplitud variable con una onda portadora. En la Figura 3.4
se pueden observar las formas de onda de la señal portadora, moduladora y
modulada.
32
Señal portadora
Señal mo duladora
S eñal mo dulada
Figura 3.4: Formas de onda obtenidas de la configuración para modulación de amplitud
En este caso específico, la señal portadora es una onda cuadrada suministrada
por un inversor tipo puente completo y la señal moduíadora es una onda senoidal
de una cierta frecuencia proporcionada por un generador de funciones y la señal
modulada es la que se aplica a los terminales de la lámpara. La frecuencia de la
señal sinusoidal varía entre 20 y 200 kHz para los experimentos.
3.3 CIRCUITO MODULADOR
En el circuito 'de la Figura 3.5 se puede observar el circuito que se empleó para la
modulación. Se utilizó al generador de funciones como un generador de onda
senoidal trabajando en el rango de 20 kHz a 200 kHz.
33
Circuito modulador
• puente completo
sen(woí)
Figura 3.5: Esquemático del circuito modulador de frecuencia dentro de la configuración
El voltaje senoidal en serie con el voltaje de continua generado por la fuente de
poder permite encontrar el punto de trabajo del transistor de potencia (MOSFET
canal n) utilizado, el cual permite modular la corriente que pasa a través de la
lámpara.
Los elementos utilizados externos al circuito modulador son enumerados a
continuación:
V1: Fuente de poder EA-3033, 0-20 VDCl 20/30 A
V2: Fuente de poder MCA 750-750, 0-750 VDC, 0-3 A
Pl: Potenciómetro COUDO1NTP1=1000 p, NO.56 A
P2: Potenciómetro COUDOINT P2=100 Q, 1=1.75 A
Sen(wot): Generador de funciones HM 8030-4
Balasto electrónico de prueba: Circuito de puente completo, Control, Ignitor
Lámparas de prueba: Lámpara de cerámica, lámpara de cuarzo
34
Los elementos electrónicos utilizados en el circuito modulador son:
R1= 1 kO; C2=10 nF, 1500 V; C1= 2.7 nF, 100 V
D= DiodoZenerBZX85C12, 12 V, 1 W, 5% Tolerancia
MOSFETcana!-n:BUZ334
Un MOSFET como el usado en este circuito modulador, posee tres terminales que
son; surtidor (source), compuerta (gate), y drenador (drain) que corresponden a
los terminales emisor, base y colector respectivament de un transistor bipolar.
La diferencia con respecto al transistor bipolar es que en el MOSFET la corriente
que va desde el surtidor hasta e! drenador esta controlada por un campo eléctrico,
la intensidad de este campo eléctrico dentro del elemento depende del voltaje que
posea la compuerta.
Asi, el control de la corriente de trabajo del circuito se logra por medio de un
voltaje y no por corriente como ocurre en los transistores bipolares. La ventaja de
los MOSFET con respecto a los transistores bipolares es que poseen una alta
impedancia de entrada en la compuerta, por ello son muy utilizados en circuitos
que trabajan con altas frecuencias.
El diodo sirve como protección para el MOSFET, evitando que picos negativos de
corriente circulen hacia este.
El porcentaje de modulación se mide por la amplitud de la señal sinusoidal dentro
de la onda cuadrada, mientras mayor es la sinusoidal también sera mayor el
porcentaje de modulación.
El potenciómetro P1 de 1000 Q se utiliza para limitar la corriente a través del
MOSFET y como regulación del porcentaje de modulación de la corriente a través
de la lámpara.
35
Si eí generador de funciones carece de una señal de continua (offset) la señal que
pasa a través del MOSFET no sera sinusoidal sino que tendrá una forma
sinusoidal cada medio ciclo.
3.3.1 PRIMER EXPERIMENTO
El primer experimento con el método de modulación se llevo a cabo empleando la
lámpara de cerámica, la cual necesita vacío para encenderse.
La lámpara de cerámica en principio podría encenderse en el aire, pero se recurre
al vacio no porque afecta al tubo de descarga como tal, sino más bien al material
del alambre conductor de la corriente a través de la lámpara.
Por ejemplo, en las lámparas de cerámica se utiliza alambres de Niobio y este
material tiene un alto nivel de corrosión; es decir, se oxida rápidamente en
contacto con el aire (Oxígeno),
Debido entonces al deterioro del material de los alambres, el vacío es necesario
para el buen funcionamiento de este tipo de lámparas. Para ello se coloca al tubo
de descarga dentro de un tubo de vidrio al vacío.
Para el desarrollo de este experimento se utilizó la configuración que se muestra
en la Figura 3.6. Esta configuración permite modular la corriente de entrada a la
lámpara con una señal sinusoidal.
La fuente de 0-20 VDC sirve para ajustar el offset del generador de funciones, ya
que este no proporciona el voltaje DC suficiente como para fijar el punto de
trabajo del transistor (MOSFET) en el circuito modulador, y de esa manera
conseguir una onda sinusoidal a la salida del circuito modulador.
36
Sistema de bombeo
Conversor defrecuencia
Circuito depuente completo
&Ignitor
Figura 3.6: Configuración utilizada en el primer experimento con modulación
La señal moduladora (envolvente) proviene del generador de funciones, el cual
entrega una onda sinusoidal que puede variar su frecuencia entre 20 y 200 kHz.
Variando la amplitud de la señal moduladora, es posible también variar el
porcentaje de modulación de la corriente a través de la lámpara.
El ignitor produce un pulso de voltaje de 30 kV que sirve para encender la
lámpara. Una vez que la lámpara se enciende es alimentada por la onda de
corriente modulada.
La fuente de poder de 0-750 VDC alimenta con un voltaje de 400 VDC tanto al
circuito de puente completo como al circuito de control. El circuito de puente
completo genera una onda cuadrada (onda portadora) la cual es modulada por la
onda senoidal (onda moduladora). El circuito de control es el que manipula el
encendido y apagado de los interruptores del circuito de puente completo.
37
3.3.2 SEGUNDO EXPERIMENTO
En el segundo experimento se utilizó la lámpara de cuarzo, descrita en la Sección
3.1.2 de este capítulo.
Generadorde funciones
Circuito depuente completo
&
Isnitor
Figura 3.7: Confíguración»utilizada en el segundo experimento con modulación
En la Figura 3.7 se muestra eí diagrama utilizado en este experimento. En este
caso el sistema de bombeo no es necesario. Los demás elementos desempeñan
las mismas funciones que en el experimento anterior.
Para las lámparas de cuarzo, el vacío no es necesario, ya que el material dei que
están hechos los alambres que conducen la corriente a través de la lámpara es
Molibdeno. Este metal puede calentarse hasta 400 °C sin oxidarse en el aire
(Oxigeno), ni romperse fácilmente.
Debido a que las lámparas de cuarzo no necesitan el vacío para encenderse,
tampoco fue necesario un sistema de bombeo en el segundo experimento.
38
3.4 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ÓPTICO
El sistema óptico se construyó con el objetivo de poder observar el movimiento
del arco de luz a través de los electrodos, dentro de la lámpara. Además, la
lámpara no puede ser observada directamente por el ojo humano porque su luz
es muy intensa.
Mediante la visualización del arco de luz se puede detectar de mejor manera la
existencia de resonancias acústicas en las lámparas de prueba. Dicho sistema
utiliza lentes de aumento que proyectan el interior de la lámpara de manera clara,
en una superficie llamada, superficie de proyección.
Tener una proyección nítida del interior de la lámpara es importante porque las
resonancias acústicas hasta ahora, han sido detectadas de mejor manera
mediante observación por el ojo humano, antes que por cambios en los
parámetros eléctricos.
Espejo
Lámparade prueba
Lente 2
Lente 1
Sup erfi cíede proyección
~
Figura 3.8: Sistema óptico utilizado para la proyección de las lámparas de prueba
39
El sistema óptico utilizado se muestra en la Figura 3.8 y esta constituido por ios
siguientes elementos:
• Lente 1: 75 mm
• Lente 2:100 mm
• Espejo
• Superficie de proyección
• Lámpara de prueba
iSe utilizaron dos lentes para obtener la proyección de la lámpara en dos planos,
el frontal y el superior, ya que ciertas resonancias pueden presentarse solo en un
piano.
El lente 1 proyecta la imagen del plano frontal de la lámpara aumentando a la vez
su tamaño en la superficie de proyección. El lente 2 proyecta el plano superior de
la lámpara a un espejo, el cual a su vez se encarga de proyectar dicha imagen a
la superficie de proyección.
Para calcular la distancia a la cual se debe poner el lente con respecto a la
lámpara y con respecto a la superficie de proyección, según el número
especificado en el lente, se utilizó la Ecuación 3.1.
-— j
Ecuación 3.1f b g
Donde:
g = distancia desde la lámpara al lente (mm)
b = distancia desde el lente a la superficie de proyección (mm)
f = es el número especificado en el lente (mm)
40
Para la vista frontal se utiliza el primer lente, el cual tiene un valor de f = 75 mm.
Se considera un valor de b = 1600 mm, aplicando la Ecuación 3.1 y despejando el
valor de g, se tiene que g = 78.68 mm.
Para la vista superior con el segundo lente f = 100 mm, el valor de b aumenta la
distancia desde el lente hasta el espejo 90 mm más, entonces b = 1690 mm.
Reemplazando estos valores en la Ecuación 3.1, se tiene que g = 106.28 mm.
Como un dato adicional, el valor de esta amplificación puede obtenerse mediante
la Ecuación 3.2. Así, para el primer lente p - 20.33 veces más y para el segundo
iente p = 15.9 veces más .
P=b/g Ecuación 3.2
Donde :
P = número de veces que se amplifica ía proyección
Gracias a las proyecciones que se realizaron, fue posible hacer fotografías del
interior de las lámparas en la superficie de proyección, como las que se pueden
ver en las secciones siguientes.
3.5 OSCILOSCOPIO EMPLEADO EN LOS EXPERIMENTOS
El osciioscopio que se empleó en los experimentos es el
OSCILOSCOPIO A COLOR DIGITAL TEKTRONIX TDS 784C .
Se describen sus características más relevantes en esta aplicación, para que
quede como información de futuros trabajos, en caso de que se necesite
reproducir los experimentos.
41
Datos técnicos:
• Rango de muesíreo máximo de 5 GS/s por canal
• Ancho de banda análogo de 1 GHz o 500 MHz
• Cuatro canales que se pueden desplegar automáticamente, todos los
canales tienen 8 bits de resolución.
• Memorias internas en las cuales se puede guardar cualquier forma de onda
• Funciones matemáticas
Para poder medir ei valor del porcentaje de modulación de corriente a la entrada
de la lámpara se utilizó .el menú Measurements del osciloscopio. Dentro de este
menú existen diferentes opciones capaces de medir y mostrar en pantalla los
valores de: frecuencia de la onda, valor máximo, valor pico-pico, amplitud de la
onda, valor rms, valor mínimo, entre los cuales se utilizó: el valor máximo y el
valor pico-pico de la onda de corriente en la lámpara.
Figura 3.9: Osciloscopio a color digital Tektronix, ventana del menú Measurements
Usando los cursores verticales como se muestra en la Figura 3.9, mediante la
opción Gating ON del menú Measurements, se puede obtener el valor pico-pico
de la onda senoidal en una cierta área indicada por los cursores. El valor pico-
pico es definido como la diferencia absoluta entre la amplitud máxima y mínima de
la forma de onda en la región señalada.
42
Con la opción Máximum del menú Measurements se puede obtener el valor
máximo de la onda.
Señal modulada Señal en el osciloscopio
Max.Pk-Pk
Max,
Max
Figura 3.10: Cálculo del porcentaje de modulación de la corriente a través de la lámpara
Obteniéndose así mediante un cálculo, como se muestra en la Figura 3.10, el
valor en porcentaje de la modulación aplicada a la lámpara.
3.6 GENERADOR DE FUNCIONES
Por razones similares a las del osciloscopio se describe brevemente éste equipo.
Este generador se utilizó para alimentar al circuito modulador con una onda
senoidal cuya frecuencia se varió entre 20 y 200 kHz.
El Generador de funciones es el HM 8030-4 de HAMEG INSTRUMENTS. Las
especificaciones técnicas de este instrumento se pueden ver con más detalle en
el Anexo B.
3.7 FUENTES DE PODER
Fuente de alto voltaje:
HEINZINGER 0-30 kV, 0-5 mA
Se usó esta fuente de voltaje continuo como alimentación del circuito de
encendido o ignitor, con un valor de 1 KV.
43
Fuente de continua;
EA-3033
0-20VDC, 20/30 A
Se usó esta fuente como entrada para el circuito modulador con un valor
aproximado de 3 a 4 VDC.
Fuente de poder:
Fuente de poder MCA 750-750
F.u.G. Elektronik GmbH 0-750 VDC, 0-3 A
Es una fuente de voltaje continuo que entrega una potencia nominal de 750 W y
un voltaje nominal de 750 V, totalmente estable y con limitación automática de
potencia al valor nominal. Se utilizó para alimentar al balasto y su circuito de
control con 400 VDC.
3.8 MEDIDOR DIGITAL DE POTENCIA
Digital power meter Mode! 2533 de YEW Yokogawa Hokushin Electric
Se utilizó un medidor digital de potencia, para el monitoreo y la toma de datos de
los parámetros eléctricos de la lámpara como; voltaje, corriente y potencia.
El voltaje y la corriente se midieron directamente en los terminales de la lámpara y
una vez que la lámpara estuvo funcionando en estado estable.
Dichos parámetros se midieron luego del encendido de la lámpara, para proteger
al aparato de medición del alto voltaje que ésta necesita para encenderse. Una
vez encendida la lámpara, el alto voltaje es desconectado y entonces se puede
proceder a la medición de los parámetros eléctricos.
44
3.9 BALASTO ELECTRÓNICO DE PRUEBA
El balasto electrónico variable desarrollado por OSRAM Berlín, ha sido diseñado
para lámparas tipo D, con el objetivo de poder variar los diferentes parámetros
eléctricos de la lámpara, lo cual es muy útil en la experimentación.
Características especiales:
Todos los parámetros son controlados por medio de un microprocesador
programado para dicha tarea.
Posee una construcción robusta diseñada para uso en el proceso de fabricación.
A continuación se muestra en la Figura 3.11 un diagrama de bloques del balasto
utilizado.
Fuentede poder
Datos Control20 mA
Datos
Circuito depuente completo
e Ignitor
1 kV
400 V
Fuente externa 12V
Figura 3.11: Diagrama de bloques del balasto electrónico variable para lámparas tipo D
Este balasto consiste de un circuito inversor tipo puente completo, un circuito de
encendido o también llamado ignitor, un circuito de control, una fuente de poder
central de 400 VDc y una fuente de poder externa para el circuito de control.
45
Funciones básicas:
• El ignitor produce un pulso de encendido normalizado de 30KV.
• La fuente de poder es una fuente externa de voltaje con regulación de
corriente y potencia.
• El circuito de control controla los parámetros de funcionamiento de la
fuente de poder (corriente), del circuito de puente completo y el ignitor.
• Es posible introducir y modificar los parámetros de funcionamiento.
• El circuito de puente completo realiza la conversión de corriente continua
en una fuente de alimentación de onda rectangular.
3.10 MEDICIÓN DE RESONANCIAS ACÚSTICAS
En base a las configuraciones de las Figuras 3.6 y 3.7 para la lámpara de
cerámica y cuarzo, respectivamente, se procedió a buscar un rango de
frequencias libre de resonancias acústicas.
Para la realización de estas mediciones, se siguieron los siguientes pasos:
1. Se conectó todos los aparatos según la disposición provista en las Figuras
anteriormente mencionadas.
2. Se dispuso de un sistema óptico para obtener una proyección nítida de los
electrodos dentro del recipiente de descarga.
3. Las resonancias pueden presentarse en diferentes planos, por lo cual se
mantuvo en observación el plano superior y frontal de la lámpara.
4. Se encendió el sistema de bombeo turbo-molecular según lo indicado en el
manual de operación (solo para la lámpara de cerámica).
46
5. Se ajustó al potenciómetro P1=1000 Q a su valor mínimo para limitar la
corriente en el MOSFET durante el encendido de la lámpara y encender la
lámpara sin modulación.
6. Se encendió la fuente de poder y ajustar a V1 = 3 VDC aproximadamente.
7. Encender el generador de funciones y ajustar a una frecuencia de 20 kHz en
función senoidal.
8. Encender el osciloscopio digital y ajustar los canales según se indicó en el
Sección 3.5.
9. Encender la fuente de poder ajustada a V2 - 400 VDC y una corriente de 2 A
aproximadamente.
10. Encender el medidor digital de potencia, sin conectarlo todavía a la lámpara.
11. El potenciómetro P2 permanece constante en su valor máximo.
12. Encender el circuito de control del balasto, con el cual se enciende también la
lámpara,-esperar hasta que la lámpara este funcionando en estado estable.
13. Conectar los interruptores necesarios para medir los parámetros eléctricos
mediante el medidor digital de potencia.
14. Mantener la potencia de la lámpara constante variando el valor de la corriente
entregada por la fuente de poder V2.
15. Establecer un punto de trabajo para el MOSFET mediante la manipulación de
los valores de la fuente de poder V1 y el potenciómetro P1.
47
16. Para aumentar el porcentaje de modulación en la corriente a través de la
lámpara, se aumenta la amplitud de la onda senoidal en el generador de
funciones.
17.Mientras se aumentaba el porcentaje de modulación, se debió observar
cualquier cambio que ocurra en la salida de luz de la lámpara (resonancias
acústicas).
18. Se anotaron datos de los parámetros eléctricos y del comportamiento de la
lámpara para cada frecuencia.
19. E! experimento se lo realizó en pasos de 2 kHz. Para cambiar el valor de la
frecuencia de trabajo se colocó el potenciómetro P1 nuevamente en .su valor
mínimo, se ajustó el valor de frecuencia y se repitieron los pasos 18 hasta 21.
3.10.1 LÁMPARA DE CERÁMICA
Como ya se ha mencionado varias veces, las resonancias acústicas se definen
como inestabilidades en la salida de luz de la lámpara. Estas inestabilidades son
claramente visibles al proyectar el recipiente de descarga sobre una superficie
mucho mayor que el tamaño del tubo de descarga.
En la proyección se puede observar ios electrodos dentro del tubo de descarga y
el arco de luz que fluye a través de ellos. Dentro del arco de luz es precisamente
donde se hacen visibles las inestabilidades, las cuales tienen diferentes
intensidades.
Para clasificar de alguna manera ios tipos de resonancias acústicas observadas
durante la experimentación, se consideró razonable designar un número de
acuerdo al porcentaje de resonancia existente, como se explica en la Tabla 3.1.
48
Tabla 3.1: Tabla de asignaciones del porcentaje de resonancias en la lámpara de cerámica.
% Resonancia
0
30
60
100
Designación012
3
Descripción
Funcionamiento normal (arco de luz estable)
Pequeño titileo en la luz, sin distorsión del arco de luz
Mediana distorsión del arco de luz (deformación visible)
Gran distorsión del arco de luz, no existe estabilidad en la luz
Es así que cuando no existen resonancias acústicas por ejemplo, se designa a
dicho estado con el número O o lo que significaría lo mismo, el 0% de resonancia.
A continuación se muestra en la Figura 3.12 un tubo de zafiro en funcionamiento
normal. Pero, para el tubo de zafiro con una resonancia del 30% existe un
pequeño titileo de la luz que no es posible observar en una fotografía.
Con este tubo de zafiro se trabajó en un intervalo de frecuencias entre 20 kHz y
100 kHz, en pasos de 2 kHz.
Para tener un punto de comparación se experimentó con 3 diferentes tubos de
descarga llamados: B10-7, B8-8, B8-9, de los cuales se tomó datos de voltaje y
corriente en el tubo de descarga y nivel de resonancia.
Figura 3.12: Tubo de descarga de zafiro en funcionamiento normal, 0% resonancia
49
Figura 3.13: Vista frontal del tubo de zafiro con una resonancia acústica del 100%
Figura 3.14: Vista superior del tubo de zafiro con una resonancia acústica del 60%
Para poder mostrar de alguna manera el cambio del arco de luz cuando existe
una resonancia acústica, se presenta las fotografías tomadas durante el
experimento,
En las Figuras 3.13 y 3.14 se puede observar como la lámpara de cerámica
resuena en altas frecuencias de funcionamiento, se observa claramente que el
arco es afectado según el porcentaje de resonancia existente.
3.10.2 LAMPARA DE CUARZO
Las lámparas de cuarzo utilizadas poseen un recipiente de descarga de forma
mas bien ovalada, debido a ello las resonancias acústicas observadas en la
experimentación fueron clasificadas en una escala diferente, la cual se muestra a
continuación en la Tabla 3.2.
50
Tabla 3.2: Tabla de asignaciones del porcentaje de resonancias en la lámpara de cuarzo
% Resonancia
0
25
50
75
100
Designación
0
1
2
3
4
Descripción
Funcionamiento normal
Pequeño titileo en la luz
Onda de presión en la mitad del arco de luz aproximadamente
Mas ondas de presión en el arco de luz, distorsión del arco (visible)
Mayor distorsión del arco de luz, inestabilidad en la salida de luz
Se experimentó con esta lámpara en un rango de frecuencias de 20 a 200 kHz en
pasos de 2 kHz.
Se realizó el mismo experimento con diez lámparas tipo D, de las cuales se tomó
fos siguientes datos en cada valor de frecuencia: voltaje y corriente en la lámpara,
porcentaje de modulación y nivel de resonancia.
En la Figura 3.15 se muestran los diferentes niveles de resonancias observadas
experimentalmente.
a) Funcionamiento normal (Resonancia 0) b) 25% Resonancia (Resonancia 1)
c) 50% Resonancia (Resonancia 2) Vista frontal d) 50% Resonancia, Vista Superior
51
e) 75% Resonancia (Resonancia 3) f) 100% Resonancia (Resonancia 4)
Figura 3.15: Escala de niveles de resonancias acústicas presentes en la lámpara tipo D.
3.11 CIRCUITO INVERSOR RESONANTE
Mediante los experimentos con modulación explicados en la Sección 3.3.1 y 3.3.2,
se encontró un rango de frecuencias libre de resonancias acústicas entre 44 kHz
y 70 kHz para las lámparas de cerámica y entre 144 kHz y 152 kHz para la
lámpara de cuarzo.
En dichos rangos de frecuencia, las lámparas puedan trabajar en condiciones de
funcionamiento normal, con un alto porcentaje de modulación. La característica de
frecuencia para cada lámpara se analizó en el intervalo de 20 kHz a 100 kHz para
la lámpara de cerámica, y entre 20 kHz a 200 kHz para la lámpara de cuarzo.
Para un valor seleccionado de frecuencia dentro del intervalo libre de resonancias
acústicas, se diseñó un circuito capaz de entregar a la lámpara una corriente
aproximadamente sinusoidal, lo que significaría trabajar con un 100% de
modulación.
Para obtener esta onda sinusoidal se realizó el diseño de un circuito inversor
resonante LC, compuesto por una inductancia y un capacitor en serie. Puesto que
la lámpara se comporta como una resistencia variable cuando está encendida, el
circuito tendría una carga puramente resistiva.
52
El circuito diseñado y construido, se muestra en la Figura 3.16 y está compuesto
por un circuito oscilador (generador de pulsos), un inversor resonante de medio
puente, el circuito ignitor y la lámpara de prueba.
1000V o
Figura 3.16: Esquemático del circuito utilizado para el experimento
El circuito oscilador tiene la tarea de generar pulsos de onda cuadrada a una
cierta frecuencia, estos pulsos son generados por medio de un timer NE555.
La salida de este circuito va a la entrada de un flip-flop el cual se encarga de
dividir para dos la frecuencia de la señal cuadrada, de tal manera que a la salida
se tiene una onda cuadrada de relación de trabajo a/b-1.
Esta onda cuadrada con relación de trabajo del 50% sirve como entrada del driver
o manejador de los interruptores (IGBTs) del circuito de medio puente. El circuito
manejador tiene la tarea de amplificar la señal de entrada y darle una zona muerta
a la misma (salida del flip flop), para de esa manera pemitir que el IGBT 1 no se
encienda al encenderse el IGBT 2 y viceversa, puesto que al encenderse los dos
transistores al mismo tiempo se provoca un corto circuito.
53
Todos los circuitos integrados de la Figura 3.16 trabajan con 15 V de
polarización, lo cual permite obtener a la salida una señal cuadrada de 15 V pico
necesaria para el circuito manejador o driver ÍR2111 que maneja a los IGBTs.
El circuito inversor resonante esta conformado por una configuración de medio
puente, la cual genera una señal cuadrada de mayor amplitud. Esta señal
aumenta al circuito resonante LC haciendo que la corriente y el voltaje de salida
se hagan resonantes. Todas las hojas de especificaciones de estos circuitos
se presentan en el Anexo C.
3.11.1 CIRCUITO OSCILADOR NE555
El circuito integrado NE555'es un timer que puede operar como astable y
monoestable. En operación astable se puede controlar la frecuencia y la relación
de trabajo de los pulsos de salida con los resistores externos R1 y R2 y el
capacitor C1. Por esta razón se eligió el modo astable para trabajar.
El circuito correspondiente a esta configuración se muestra en la Figura 3.17.
+Vcc
PI^—m OUT
Figura 3.17: Conexión del circuito integrado NE555 en operación astable
54
Esta configuración entrega una onda cuadrada que sale desde el pin 3 del NE555
hacia el pin CP1 del flip-flop.
Mediante la variación de la resistencia R2 se puede calibrar la salida de voltaje a
una frecuencia diferente, según sea necesario.
En la operación astable, el terminal Trigger y el terminal Threshoid están
conectados de tal manera que se forma un trigger propio, operando como un
multivibrador.
En ía Figura 3.18 se puede observar la estructura interna de este circuito para
entender de mejor manera como funciona.
GND O
Trigger @—^ ©Discharge
OutputQ—
Reset (4
-KyThreslioId
Figura 3.18: Estructura interna deí timer NE555
Cuando la salida del timer es alta (Output=1L), el transistor de descarga interna
llamado "Tr" (como se observa en la Figura 3.18) se desactiva y el voltaje VCi
incrementa exponencialmente con la constante de tiempo (R1 +R2)*C.
55
Cuando el VC1 o el voltaje threshold alcanzan 2Vcc/3, la salida del comparador en
el terminal trígger aumenta, peseteando el F/F y causando que el voltaje a la
salida del timer disminuya.
Esto activa al transistor de descarga interna Tr y el C1 se descarga a través del
canal de descarga formado por R2 y e! transistor Tr. Cuando el VCi cae bajo
Vcc/3, la salida del comparador en el terminal trigger sube y la salida del timer
también, entonces el transistor de descarga Tr se desactiva y el VCi se
incrementa otra vez.
En este proceso, la sección donde la salida del timer es alta es el tiempo que
toma para que VCi se incremente desde Vcc/3 to 2Vcc/3, y la sección donde la
salida del íimer es baja es el tiempo que toma el VCi para bajar desde 2Vcc/3
hasta Vcc/3. Cuando la salida del timer es alta, el circuito equivalente para cargar
el capacitores como se indica a continuación en la Figura 3.19.
Vcc
•AMA
Rl
AWVR2
Cl H=
Figura3.19: Circuito equivalente del circuito astable
Si el timer opera como asíable, el período de los pulsos es la suma del tiempo de
carga y el tiempo de descarga, como se ve en la siguiente Ecuación:
Ecuación3.3
Sabiendo que la frecuencia es e! recíproco del período, entonces la frecuencia se
podría obtener con la Ecuación:
56
1.44T (RA-h2RB)C1
Ecuación 3.4
3.11.2 DISEÑO DEL INVERSOR RESONANTE LC EN SERIE
Para el diseño del circuito inversor resonante se uso una configuración de medio
puente como se observa en la Figura 3.20. El inductor y el capacitor en serie
forman el circuito resonante y la corriente y el voltaje en la carga son oscilantes.
? 15V 400V9
1000V o
Figura 3.20: Circuito inversor resonante de medio puente
Para conseguir a través de la carga una corriente aproximadamente sinusoidal
(resonante), se necesita operar con una relación de trabajo a/b del voltaje de
switcheo igual a 1. Este voltaje es generado por los elementos de switcheo de la
configuración de medio puente.
57
Los elementos de switcheo en la configuración de medio puente necesitan
trabajar a una cierta frecuencia de switcheo fs, la cual puede ser menor o mayor
que la frecuencia de resonancia fo, si el conversor consiste de switches
controlados automáticamente.
Cuando la frecuencia de switcheo es menor que la frecuencia de resonancia
dividido para dos (ws<wo/2), se trabaja en un modo de conducción discontinua.
Cuando wo/2<ws< wo;.ó ws>wo se trabaja en un modo de conducción continua,
modo en el cual se quiere trabajar en este caso.
En este modo de operación los interruptores se cierran a una determinada
corriente y a un determinado voltaje, lo cual lleva a pérdidas de switcheo. Para
evitar estar pérdidas o disminuirlas se utilizó IGBTs los cuales además pueden
trabajar muy bien en frecuencias en el orden de los kHz.
En el circuito de la Figura 3.21, se muestra un diagrama básico de un circuito
resonante LC en serie.
R
YinL
Vout
Figura 3.21: Diagrama básico de un circuito resonante RLC en serie
La frecuencia de resonancia en este circuito es:
Ecuación 3.5
58
Para e! diseño de este circuito se dispuso de un pequeño transformador
desarrollado por OSRAM GmbH Berlín para dicha aplicación. Este transformador
tiene una inductancia de 0.7 mH en el secundario, en base a la cual se calcula el
valor de capacitancia, a un valor dado de frecuencia.
La frecuencia a la que deberá resonar el circuito esta dentro del rango donde las
lámparas de prueba están libres de resonancias acústicas.
3.11.3 FLIPFLOP
La señal de salida del circuito integrado NE555 entra al flipflop HEF4013B, el cual
tiene como objetivo dividir la frecuencia por la mitad consiguiendo obtener una
señal cuadrada con una relación de trabajo del 50 %, esta señal debe tener una
amplitud mínima de 15 V para poder alimentar al circuito integrado siguiente que
es el manejadorde los IGBTs del circuito inversor de medio puente.
El circuito integrado HEF4013B es un flip-flop, el cual se utiliza en este caso como
un divisor de frecuencia, utilizando la aplicación típica existente en sus hojas de
especificaciones (Anexo C). De esta manera, aplicando el ejemplo visto en la
Figura 3.22, se obtiene una señal cuadrada a la salida con una relación de
trabajo del 50%, y una frecuencia de salida igual a la mitad de la frecuencia de
entrada fo - fi/2.
rp FFCP 1
0
u
rp PF2
0
U
PP FFn
0
Figura 3.22: Aplicación típica deí HEF4013B en un contador binario ripple up; dividido para 2n
59
3.11.4 CIRCUITO IGNITOR
La lámpara de descarga de alta presión utilizada en este proyecto necesita un
pulso de encendido de 20 kV aproximadamente. Para lograr este alto voltaje de
encendido se construyó un circuito ignitor, el cual utiliza el mismo transformador
usado para el diseño del circuito oscilador. En la Figura 3.23 se muestra el
esquemático de dicho circuito.
1000V
Lampara
Figura 3.23: Circuito ignitor construido para encender la lámpara de descarga de alta presión
Para este circuito se conectó un pequeño transformador como elevador de voltaje,
por lo mismo la bobina del secundario N2 tiene mayor número de espiras que la
bobina del primario N1 (N2>N1).
Cuando e! interruptor S1 se cierra cae sobre el primario (N1) un voltaje continuo
de 1 kV (despreciando la caída de voltaje en la resistencia R3), pero la lámpara
todavía no se enciende porque los transformadores no trabajan con este tipo de
corriente.
La lámpara recibe el alto voltaje solamente cuando el interruptor se abre "y el
voltaje pasa a cero rápidamente, generándose de esa manera un pulso de
corriente alterna que produce un pulso de alto voltaje en el secundario (N2).
60
En la Figura 3.24 se muestra la respuesta del secundario N2 del circuito ignitor,
sin lámpara (ai vacío).
Pulso de encendido-sin carga
t(us)
Figura 3.24: Voltaje en los terminales del secundario sin carga
El interruptor S1 que se usa en este circuito es conocido como "Spark Gap",
cuando el spark gap se abre y se cierra rápidamente se simula un voltaje alterno
en el primario lo que produce un alto voltaje en el secundario. En la siguiente
sección se hace una breve descripción de dichos interruptores.
3.11.4.1 Interruptores Spark Gap de dos electrodos
Estos interruptores sirven para un alto rango de requerimientos de switcheo y son
capaces de lograr proporciones altas de transferencia de energía con un buen
tiempo de vida, además son diseñados para ser económicos y de simple
mantenimiento. A continuación se muestra en la Figura 3.25 el interruptor spark
gap utilizado para la construcción del circuito ignitor.
Figura 3.25: Interruptor Spark Gap de dos electrodos utilizado para el circuito ignitor
61
Los spark gap son tubos de descarga de gas, herméticamente sellados en una
complicada envoltura de cerámica, metal o vidrio, los cuales utilizan dos
electrodos colocados el uno frente al otro a una corta distancia. El spark gap
•puede ser rellenado con una amplia variedad de materiales, los mas comunes
son:
• Aire
• SF6 (Hexafluoruro de sulfuro)
• Gas inerte; Neón o Argón
• Oxígeno
A menudo se emplea una mezcla de los materiales anteriormente mencionados.
Sin embargo, unos pocos spark gaps emplean actualmente líquido o incluso
sólido como medio de relleno.
Voltaje en el Spark Gap
t(ms)
Figura 3.26: Voltaje en los terminales del interruptor de descarga de gas: Spark Gap
En la Figura 3.26 se puede observar un oscilograma del voltaje en los terminales
de este mencionado interruptor, esta es la forma como se simula un voltaje de
alterna.
62
En este capítulo se hizo una revisión de los materiales utilizados para los
experimentos y además de la forma como se los realizó. Se explicó el método de
modulación, la forma como se midió las resonancias acústicas y el diseño del
circuito inversor utilizado para las ultimas pruebas.
Se ha descrito detalladamente las lámparas de descarga de alta presión con las
cuales se trabajó, la lámpara de cerámica y la lámpara de cuarzo. Estas lámpara
presentan características diferentes, por su geometría o forma de construcción y
debido también a los materiales que utiliza en su interior para producir el plasma.
Con el objetivo de que estos experimentos puedan ser repetibles si es necesario,
se describió brevemente los equipos utilizados, el resto de sus especificaciones
se pueden observar detalladamente en el Anexo B.
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*5S?'-r-Sít'",1** ,""•' • "" ••- . .- t " • ~7S%ííSS?-t.-m' " í-"t. * • • . . - '•Í?*V";V -~r'"?'í
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CAPITULO 4
'*.
63
4 RESULTADOS OBTENIDOS
En este capítulo se presenta un resumen de los datos y resultados encontrados
durante todos los experimentos, en forma de gráficos y tablas.
Las tablas de datos completas con los datos obtenidos de los experimentos se
encuentran^en eí Anexo A.
4.1 LÁMPARA DE CERÁMICA
Tal como se indicó, se tomó datos del nivel de resonancias acústicas de las
lámparas de cerámica B8-8, B8-9, B10-7, en un rango de frecuencias de 20 kHz a
100 kHz en pasos de 2kHz, y los parámetros eléctricos de las mismas en
condiciones de funcionamiento normal.
Utilizando el método de modulación, se midieron los parámetros eléctricos:
voltaje, corriente, potencia y resistencia.
Las lámparas de cerámica se midieron con un porcentaje de modulación del 40%
aproximadamente. Las lámparas utilizadas se describieron en la Sección 3.2.1.
4.1.1 FUNCIONAMIENTO NORMAL
Para tener un punto de comparación, entre el comportamiento de las lámparas
con resonancias acústicas y en funcionamiento normal, se midieron los
parámetros eléctricos de algunas lámparas sin modulación.
En la Tabla 4.1 se presentan los valores de voltaje, corriente, potencia y
resistencia obtenidos de las lámparas de cerámica en condiciones de
funcionamiento normal.
64
Todos estos datos fueron medidos sin modulación a diferentes potencias de
funcionamiento: 25, 30 y 35 W. Estos datos se encuentran en la Tabla 4.1
ordenados de acuerdo a la potencia de funcionamiento.
Tabla 4.1 Datos de los parámetros eléctricos de lámparas de cerámica en funcionamiento normal
Lámpara
B10-2B10-2B103B103B10-2B103B10-2
IL(A)1.08
0.970.93
1.091.081.311.18
VL(V)
23.6525.7827.1027.6027.8527.1030.02
PLfW)252525
303035
35
R(n)21.8626.5829.1425.3225.7820.6925.44
En la Tabla 4.1 se observa que para una potencia de 25 W la corriente disminuye
cuando el voltaje aumenta, y la resistencia está en un valor promedio de 25.86 Q.
En esta Tabla se muestran mediciones de los parámetros eléctricos de dos
diferentes tubos de descarga denominados B10-2 y B10-3 de los cuales se
hicieron algunas mediciones a tiempos diferentes con el objetivo de compararlas.
Se conoce que la resistencia eléctrica de la lámpara disminuye con sus horas de
trabajo, esta puede ser una razón de la diferencia de valores en la misma lámpara
para diferentes mediciones.
Sin embargo, se observa que la lámpara presenta valores de resistencia
relativamente similares, y se podría asi encontrar una resistencia de
funcionamiento normal promedio.
Para 30 y 35 W la corriente disminuye cuando e! voltaje de la lámpara aumenta y
el valor promedio de la resistencia es 25.55 Q para "30 W y 23.1 Q para 35 W. La
resistencia de las lámparas presenta su valor mínimo a 35 W de 20.69 Q, y un
valor máximo de 29.14 a a 25 W.
65
El valor mínimo de corriente 0.93 A, se presenta a 25 W, el valor máximo 1.48 A
se presenta en 35 W. El valor mínimo de voltaje 23.65 V se presenta a 25 W, y el
valor máximo 30.02 V se presenta a 35 W.
Tabla 4.2: Parámetros eléctricos en funcionamiento normal de las lámparas de cuarzo a 35W
Lámpara Nr
2
4
5
678
910
1112
VL(V)72
101,6
95,2
. 102,6
89,3
97,7
100,5
99,4
102,5
79,7
3X(A)03570
0,3440,3700,3380,3900,3540,3460,3540,3430,442
Rfn)126,32295,35257,30303,55
228,97275,99290,46
280,71299,18180,32
La Tabla 4.2 muestra los parámetros eléctricos obtenidos con experimentos sin
modulación de corriente de la lámpara de cuarzo.
Aquí se puede observar que el voltaje y la corriente varían mucho de lámpara a
lámpara, resultando que la resistencia no tiene un valor similar para todas las
lámparas en funcionamiento normal.
El valor de resistencia mínimo se presenta para la lámpara 2 y es R-126.32 Q.
Según [25] Las lámparas 2 y 12 presentan un voltaje muy bajo por lo que se
puede asumir que tienen algún defecto de fabricación.
Se podría decir que la resistencia eléctrica de las lámparas de cuarzo en
funcionamiento normal, no se asemeja de lámpara a lámpara. Por lo cual será
difícil encontrar una relación entre las resonancias acústicas y la variación de los
parámetros eléctricos de la lámpara.
66
Todas las lámparas medidas excepto 2, y 12 mencionadas anteriormente trabajan
dentro del rango establecido en sus especificaciones.
4.1.2 RESONANCIAS ACÚSTICAS
Las mediciones del nivel de resonancias acústicas presentes en las lámparas de
cerámica se realizaron utilizando el método de modulación explicado en la
Sección 3.1, con la escala que se muestra en la Sección 3.10.1.
El gráfico de la Figura 4.1 se basa en los datos de las Tablas A.3, A.4, A.5 del
Anexo A. Aquí se muestra el nivel de resonancia en función de la frecuencia de
funcionamiento de las lámparas; B8-9, B10-7, B8-8 a una potencia de 35W.
Resonancia vs. Frecuencia
-B10-7 -B8-9
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Figura 4.1: Característica de Resonancia vs. Frecuencia para las lámparas: B8-9, B10-7 yB8-8 a 35W
De la Figura 4.1 se puede deducir que en el intervalo de frecuencia entre 44 kHz
hasta 70 kHz tanto como en el intervalo desde 94 hasta 100 kHz no se presenta
ninguna resonancia para las tres lámparas.
67
En el rango de 22 kHz hasta 44 kHz, las tres lámparas presentan resonancias
acústicas de diferentes intensidades. Desde 70 kHz a 94 kHz en cambio
solamente las lámparas B8-9 y B10-7 presentan resonancias. La lámpara B8-8 no
presenta ninguna resonancia a partir de 44 kHz hasta 100 kHz.
Los puntos máximos de resonancias acústicas (Resonancia 3) se encuentran en:
Lámpara B10-7: 32 kHz y 74 kHz.
Lámpara B8-9: 36kHz
Lámpara B8-8: 36kHz
Resonancia vs. Frecuencia
-B8-9 25W 8-9 30W —*-B8-9 35W
3 -
oMü
1 -
20 30 40 50 60 70
f(KHz)
80 90 100
Figura 4.2: Resonancia en función de la frecuencia para la lámpara B8-9 a 25, 30, y 35 W.
El gráfico de la resonancia en función de la frecuencia de la lámpara B8-9
representada en la Figura 4.2, muestra su comportamiento a diferentes potencias
de funcionamiento: 25, 30, y 35 W.
Los valores para estos gráficos se obtuvieron de las Tablas A1, A2 y A3 del
Anexo A. La lámpara B8-9 no posee la misma característica de resonancia a
diferentes potencias de trabajo.
68
Los puntos máximos de resonancia acústica (Resonancia 3) presentes en la
lámpara se encuentran en:
B8-9, 25W:34kHzy76kHz
B8-9, 30 W: 86 y 88 kHz
BS-9,35 W:36kHz
En el rango desde 50 hasta 72 kHz la lámpara no presenta resonancias acústicas
a ninguna potencia de trabajo. En cambio en el rango de 24 kHz hasta 50 kHz y
de 72 kHz a 98 kHz ía lámpara presenta resonancias para las diferentes
potencias.
4.1.3 PARÁMETROS ELÉCTRICOS
Se recogió datos del voltaje y la corriente en la lámpara, los valores de resistencia
fueron calculados según la ley de Ohm, V=IR, para las diferentes frecuencias de
trabajo.
Se realizó el gráfico de la resistencia en función de la frecuencia con el objetivo de
encontrar una relación entre los parámetros eléctricos de ¡a lámpara y las
resonancias acústicas.
'*" En el gráfico de la Figura 4.3, se muestra la dependencia de la resistencia
respecto a la frecuencia en las lámparas B10-7, B8-9 y B8-8 a una potencia de
35W. Este gráfico se basa en las Tablas A3, A4 y A5 del Anexo A.
69
Resistencia vs. Frecuencia
-BrennerBlO-7 35W -BS-9 35W -Brenner B8-8 35W
70 80 90 10020 30 40 50
Figura 4.3: Característica de Resistencia vs. Frecuencia para las lámparas: B8-9, B10-7 y B8-8 a 35W
Se puede concluir de la Figura 4.3 que en las frecuencias donde existen
resonancias acústicas de mayor intensidad ( Resonancia 2 o 3 ), ia resistencia de
la lámpara aumenta su valor con respecto al valor de resistencia que posee
cuando no se presentan resonancias o en resonancias de baja intensidad.
La lámpara B10-7 por ejemplo presenta en 74kHz una resonancia 3 (según la
Figura 4.1), para esta frecuencia el valor de resistencia es de 48 Q
aproximadamente.
Las lámparas alcanzan un valor máximo y mínimo de resistencia en todo el
intervalo de frecuencia, según se muestra en la Tabla 4.3.
70
Tabla 4.3: Valores de resistencia máximos y mínimos de las lámparas B8-9, B8-8, BlO-7 en todo elrango de frecuencia.
Lámpara
B8-8BlO-7B8-9
Rmax(n)
32,3248,13 •30,7
f(kHz)36
7480
Res
2
30
Rmin(^)
17,5
22,716,36
f(kHz)
425070
Res.
000
En la Tabla 4.2 se observa que los valores de resistencia alta coinciden con un
nivel de resonancia alta, a excepción de la lámpara B8-9. El valor de resistencia
mínimo en cambio coincide con un nivel de resonancia O para todas las lámparas.
Dentro del intervalo libre de resonancias acústicas para todas las lámparas que
según el gráfico de la Figura 4.1 se encuentra desde 44 hasta 70 kHz, se
muestran en la Tabla 4.3 los valores de resistencia máximo y mínimo a una
potencia de 35W.
Tabla 4.4: Valores de resistencia máximos y mínimos de las lámparas B8-8, B8-9, BlO-7 en el intervalodesde 44 hasta 70 kHz
Lámpara
B8-8
BlO-7B8-9
Rmax(a)
20,4424,1716,36
f(kHz)
705444
Rmin(O)
17,9622,7016336
fffflz)
46 y 485070
Como se ilustra en la Tabla 4.3. en el rango de frecuencia libre de resonancias
desde 44 hasta 70 kHz (según Figura 4.1) la resistencia de las lámparas está
entre un valor mínimo de 16.36 Q y un valor máximo de 24.17 Q. Con un valor
promedio de 20.24 Q, en todo el rango de frecuencia libre de resonancias.
Los valores de resistencia de la Tabla 4.3 en la zona donde no existe resonancia
acústica son similares a los valores de la Tabla 4.1 para las lámparas en
funcionamiento normal..
Se muestra a continuación otro gráfico de la resistencia en relación con la
frecuencia, a diferentes potencias de funcionamiento para la lámpara de cerámica
B8-9 en la Figura 4.4.
71
Resistencia vs. Frecuencia
-B8-9 35W B8-9 30W -B8-9 25W
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Figura 4.4: Resistencia en función de la frecuencia para la lámpara de cerámica B8-9 a 25, 30 y 35W.
La Figura 4.4 muestra que el comportamiento de la lámpara no es el mismo en
diferentes potencias. Estos gráficos se realizaron en base a las Tablas A1, A2,
A3, que se encuentran en el Anexo A.
En este gráfico se puede observar que la resistencia en todas las lámparas
aumenta su valor en el intervalo de 30 a 50 kHz y de 74 a 98 kHz.
Para analizar el comportamiento de esta lámpara a diferentes potencias, se hizo
una Tabla de valores que se muestra en la Tabla 4.5 donde se puede observar lo
que ocurre exactamente con la resistencia de la lámpara en todo el rango de
frecuencia.
72
Tabla 4.5: Valores de resistencia máximos y mínimos de la lámpara B8-9 en todo el rango defrecuencia.
Lámpara
B8-9,25W
B8-9,30WB8-9} 35W
Rmax(n)• 45,10
38,0930,77
ffkHz)888280
Res.
02
0
Rmin(n)21,93
19,3416,36
f(kHz)76
2870
Res.
3
00
En la Tabla 1.4 se observa que a 25 W, la resistencia aumenta su valor en 88kHz,
sin qu esto signifique que existe una resonancia en ese punto para la lámpara.
A 35W ocurre también un aumento en la resistencia sin que exista una resonancia
en esa frecuencia.
Los valores de resistencia mínimos coinciden con un valor de resonancia O para el
trabajo con 30 y 35 W, pero no ocurre lo mismo en 25 W, donde el nivel de
resonancia es de 3.
Tabla 4.6: Valores de resistencia máximos y mínimos de la lámpara B8-9 desde 50 hasta 72 kHz.
Lámpara
B8-9, 25 WB8-9, 30WB8-9, 35W
Rmax(n)
2438423,5718,59
f(kHz)505450
Rmin(n)
22,6920,4516,36
f(kHz)725070
Como se muestra en la Tabla 4.5. en el rango de frecuencia libre de resonancias
desde 50 hasta 72 kHz (según Figura 4.2) la resistencia de las lámparas esta
entre un valor mínimo de 16.36 Q y un valor máximo de 24.84 fl Con un valor
promedio de 21.17 Q, en todo el rango de frecuencias libre de resonancias.
Se observa que la resistencia tiende a bajar su valor mientras más alta es su
potencia de trabajo, en la Tabla 4.6 se puede ver claramente este
comportamiento.
73
4.2 LAMPARA DE CUARZO
Se hizo mediciones del nivel de resonancias acústicas de 10 lámparas de cuarzo
OSRAM Xenarc D2S, 35 W en un rango de frecuencias de 20 a 200 kHz en pasos
de 2 kHz, con diferentes porcentajes de modulación.
Se empezó con una pequeña modulación que aumentaba mientras se observaba
el comportamiento de la lámpara, este porcentaje de modulación se aumentaba
hasta que se presentara una resonancia.
Utilizando el método de modulación, se midieron los parámetros eléctricos;
voltaje, y corriente de la lámpara. Las lámparas utilizadas se describen en la
Sección 3.2.2.
4.2.1 RESONANCIAS ACÚSTICAS
En base a los datos obtenidos de los experimentos con todas las lámparas de
cuarzo, se calculó el promedio del porcentaje de resonancia en cada frecuencia.
En la Figura 4.5 se muestra eí porcentaje de resonancia acústica promedio en
función de la frecuencia de la lámpara.
En este gráfico se observa que existe solamente un delgado intervalo de
frecuencias libre de resonancias, el cual coincide para todas las lámparas, este
intervalo va desde 144 hasta 152 kHz.
74
%Resonancia vs. Frequencia
o -i20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
f (tófe)
Figura 4.5: Porcentaje de resonancia promedio en función de la frecuencia en 10 lámparas tipo D2S
Los experimentos se realizaron solamente hasta 200 kHz, pero existe un pequeño
intervalo a partir de 198 a 200 kHz donde tampoco se presentaron resonancias
para ninguna de las lámparas.
Debido a este resultado se experimentó brevemente en frecuencias mayores a
200 kHz con algunas de las lámparas y se encontró que en el intervalo de 200
hasta 210 kHz aproximadamente no existen resonancias, a una frecuencia mayor
a 210kHz se observaron nuevamente resonancias.
En el rango desde 96 hasta 110 kHz la mayoría de las lámparas presentaron
fuertes resonancias entre el 75 y 100% de intensidad. En el rango de 164 hasta
180kKz la mayoría de las lámparas presentaron resonancias entre el 50 y 75%.
La mayoría de las lámparas presentan resonancias de un 50% y 25% de
intensidad en el intervalo desde 50 hasta 62kHz.
75
La mayoría de (as lámparas presenta una resonancia del 25% de intensidad en el
intervalo desde 20 hasta 50 kHz.
4.2.2 PARÁMETROS ELÉCTRICOS
En la Figura 4.6 se muestra la característica de la resistencia eléctrica promedio
de las lámparas de prueba, en función de la frecuencia de funcionamiento.
Todos estos datos son resultado del experimento con modulación descrito en el
Capítulo 3.
Resistencia vs. frecuencia
280,0
270,0 -
260,0 :
5 250,0;
*3 240,0 '-
.2 230,0 -en ' J
220,0 -<
210,0;
200,0 -20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Figura 4.6: Resistencia promedio en función de la frecuencia para las lámparas de cuarzo.
En el intervalo de frecuencias desde 144 hasta 152 kHz la resistencia permanece
en un valor constante de 261 Q.
En el rango desde 92 hasta 120 kHz todas las lámparas tienen una mayor
resistencia que en los demás rangos, con un máximo de 277 O. a 96 kHz y un
valor mínimo en ese intervalo de 256 Q a 104 kHz .
76
En el rango de 162 hasta 184 kKz todas las lámparas poseen una resistencia de
mediano valor con un máximo de 265 Q a 164 kHz y un mínimo de 254 Q a 176
kHz,
En el intervalo desde 54 hasta 60 kHz, existe un punto máximo en 54 kHz con una
resistencia de 247 Q.
El valor máximo de resistencia en el intervalo desde 20 hasta 50 kHz es de 252 Q
para 22 kHz y el valor mínimo es de 232 Q. para 36 kHz. En 198 kHz y 200 kHz el
valor de resistencia permanece igual en un valor de 259 Q.
Resistencia vs. Frecuencia
400
350 -
300 -
oCE
250 -
200 -'
150 ' . . . . .20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
f(kHz)
Figura 4.7: Característica de Resistencia en función de la frecuencia de las lámparas de cuarzo.
En la Figura 4.7 se muestra la característica de la resistencia en función de la
frecuencia de todas las lámparas de cuarzo con las cuales se experimentó, aquí
se puede apreciar como se comporta cada una de las lámparas y en que se
diferencian.
77
Se puede apreciar que cada lámpara tiene una resistencia eléctrica que la
caracteriza y trata siempre de mantenerse en ese valor de resistencia en los
diferentes rangos de frecuencia. En la lámpara L4 por ejemplo podemos ver como
la lámpara trata siempre de mantener su valor de resistencia característica de
alrededor de 300 n aproximadamente, casi en todo e! rango de frecuencia.
En el intervalo de mayor resonancia, entre 96 y 110 kHz todas las lámparas
tienden a subir el valor de la resistencia. Sin embargo, el incremento de
resistencia no siempre coincide con la aparición de un alto porcentaje de
resonancia.
En el rango de frecuencia donde no existen resonancias en cambio, el valor de
resistencia tiende a mantenerse relativamente constante para cada lámpara, esto
puede visualizarse mejor en la Figura 4.8.
Resistencia vs. Frecuencia
i290,0 -
i270,0 :
1" 250,0 ':
5 -^ 230,0 :Pí
210,0 -
190,0 •
170,0 :
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*L2
• L4
AL7
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XL9
• LIO
+ L11
-Ll
140 142 144 146 148 150 152 154 156 158 160
f(kHz)
Figura 4.8: Resistencia en función de la frecuencia en el intervalo desde 140 hasta 160 kHz.
78
En la Figura 4.8 se gráfica (a resistencia en función de la frecuencia en el
intervalo desde 140 a 160 kHz. El valor mínimo de la resistencia en el rango de
frecuencia libre de resonancias es 218.2 Q para ía lámpara 7, y el valor máximo
de resistencia es de 302.3 Q para ía lámpara 4.
En la Tabla 4.7 se compara estos valores de resistencia eléctrica en el rango de
140 a 160 kHz con los valores de resistencia de las mismas lámparas en
funcionamiento normal.
Tabla 4.7: Comparación de los valores de resistencia eléctrica en funcionamiento normal y en el rangode frecuencias libre de resonancias acústicas.
Lampar a Nr
2
4
7
8
910
11
NormalR(Q)
126,32
295,35
228,97
275,99290,46
280,71
299,18
140<f(kHz)<160R(Q)
235
298
215
270
280
285
240
Según la Tabla 4.7 los valores de resistencia eléctrica en funcionamiento normal
difieren de los valores de resistencia dentro de este rango, si bien en la lámpara
L4 por ejemplo se puede decir que los valores son similares, en la lámpara L2 y
L11 la diferencia es muy grande.
Por lo que no se puede decir como en la lámpara de cuarzo que la resistencia en
funcionamiento normal es igual a la resistencia en el intervalo donde la lámpara
no presenta resonancias acústicas.
79
4.3 CIRCUITO INVERSOR RESONANTE
Una vez'encontrados los resultados de la característica de frecuencia para la
lámpara de cerámica con una modulación de alrededor del 40%, como se vio en
la Sección 4.1.2, se conoce que existen dos rangos de frecuencias 44<f(kHz)<70
y 94<f(kHz)<100 donde no se presenta ninguna resonancia para [as tres
lámparas medidas.
Dentro de estos intervalos de frecuencia, se eligió uno para trabajar en el diseño
del circuito. Debido a que el segundo intervalo es demasiado pequeño, y no se
puede asegurar el buen funcionamiento de la lámpara aquí, se escogió un valor
de frecuencia dentro del primer intervalo entre 44 y 70 kHz.
Para mayor seguridad se escogió un valor intermedio de 60 kHz en este intervalo,
además porque este valor esta en un área en la cual la resistencia de cada
lámpara se mantiene relativamente constante, lo que podría significar que la
lámpara trabaja en condiciones de funcionamiento normal.
Basándose en el diseño preliminar del circuito inversor resonante, visto en la
Sección 3.12, se puede fácilmente reemplazar este valor de frecuencia escogido
que pasaría a ser el valor de la frecuencia a la que deberá resonar el circuito.
Entonces se tiene que la frecuencia de resonancia fo = 60 kHz y se conoce que la
inductancia para el circuito resonante L2 = 0.7 mH. Aplicando la fórmula para el
circuito resonante fo-1/2-n:(LC)1/2 se puede entonces calcular el valor que deberá
tener el capacitor para que el circuito pueda resonar.
El valor del capacitor es entonces C5 = 10 nF, valor con el cual se obtiene una
sinusoide perfecta, en vacío. Para probar el circuito resonante simulando la
presencia de la lámpara, la cual se comporta como una resistencia al encenderse,
se utilizo una resistencia de 50 D y se obtuvo una onda sinusoidal también.
80
Para tener la posibilidad de cambiar la frecuencia de resonancia, en el caso de
ser necesario, se utilizó una resistencia variable R2 en el timer NE555. La
resistencia R1 = 560 O, C2=0.01 uF, C1=6.8 nF. Para el circuito manejador de los
IGBTs se tiene los valores C3= 0.1 uF,C4- 10 uF, en la Figura 4.9 se puede ver el
esquemático del circuito utilizado.
1SV
-í-
2
3
J
'
LM555
GND Vcc
TRIG DISCH
í
7_
í
S
CZ\Rl ~
Cl
R2t— Vr^—
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2
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L-
HEF40138
"01 O2
C01 CP2
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13
12
9
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I1000V c
J/ '— II — 'SI/
C5— uuu
j C ?Lámpara
^v
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Figura 4,9: Esquemático del circuito inversor resonante utilizado para los experimentos.
La única diferencia de! circuito que se armó en la práctica con el circuito teórico
visto en el Capítulo 3, es que se aumentó un capacitor entre los terminales de fa
fuente de 400 V para de esa manera proteger a los IGBTs.
Se deseaba probar la lámpara de cerámica con este circuito a la frecuencia de
resonancia escogida, pero debido a que no se disponía de suficientes lámparas
para las pruebas, la empresa OSRAM GmbH, Berlín decidió que no se lleve a
cabo el experimento.
Paralelamente a la construcción del circuito se llevaron a cabo pruebas de las
características físicas de estas lámparas, por lo que no era posible arriesgarse a
que se destruyan durante las pruebas con el circuito.
81
En la práctica se vio que en un intervalo pequeño de frecuencia aunque algunas
lámparas visiblemente no tienen ninguna distorsión en el arco de luz, pueden en
el mismo intervalo presentar resonancias acústicas muy graves, capaces de
dañar totalmente la lámpara.
Se decidió entonces analizar la característica de frecuencia para las lámparas de
cuarzo y con el nuevo valor de frecuencia, rediseñar el circuito y probarlo con
dicha lámpara.
En los experimentos con las lámparas de cuarzo se obtuvo el siguiente resultado
para el rango de frecuencias libre de resonancias acústicas 144<f(kHz)<152:
ninguna de las lámparas presentó distorsión en el arco de luz. Sin embargo, la
resistencia de la lámpara en este rango no se asemeja al valor de resistencia de
la lámpara en funcionamiento normal.
Se eligió un valor de f=148 kHz para trabajar dentro de este intervalo. Para este
nuevo valor de frecuencia se volvió a diseñar el circuito inversor oscilante
basándose en el mismo esquema visto anteriormente y utilizando el mismo
transformador. Los resultados obtenidos se presentan más adelante.
El circuito se basó también en el diseño preliminar visto en el Capítulo 3 y según
los cálculos realizados, se tiene los siguientes valores de los elementos a una
frecuencia de resonancia fo=148 kHz. En la Figura 1.10 se presenta una
fotografía del entorno donde se realizaron los experimentos y los aparatos
usados.
82
Figura 4.10: Lugar de trabajo y aparatos utilizados
TimerNE555: 02=4.7 nF, C1=10nF, R1=360Q, R2= 5 Ka variable.
Circuito manejador: C4=10 uF¡ C3=0.1 uF, Diodo: 1N4007
Circuito ignitor: 06=22 nF, 1000 V; R3=470 Q; Spark Gap: 600 V
Circuito inversor resonante: C5= 1.65 nF, L = 0.7 mH, IGBTs IR035, Lámpara
XenarcD2S35W.
Se simuló la lámpara como una resistencia de 200 Q para comprobar el
funcionamiento correcto del circuito. Este valor de resistencia es el valor
aproximado que la lámpara tendría en funcionamiento normal.
Se construyó el circuito en una platina para la comprobación, el cual funcionó
perfectamente a esa frecuencia de resonancia teniendo como resultado una onda
casi sinusoidal de corriente en la salida. En la Figura 4.11 se puede observar el
circuito utilizado.
83
Figura 4.11: Circuito inversor resonante utilizado para los experimentos
Las lámparas de cuarzo se midieron experimentando con un gran porcentaje de
modulación, mayor al 80%, especialmente en ei intervalo donde no se encontró
resonancias. La medición se hizo con el mayor porcentaje de modulación posible
para ese rango en cada una de las lámparas, este porcentaje fue mayor que 90%
en la mayoría de ios casos.
Se obtuvieron los oscilogramas mostrados a continuación para comprobar el
correcto funcionamiento del circuito inversor resonante mostrado en la Figura
4.11.
En la Figura 4.12, por ejemplo se puede observar la salida del timer NE555. Aqui
se observa que el timer NE555 produce a la salida una señal cuadrada de
amplitud 14 V con una relación de trabajo a/b diferente de 1.
La relación de trabajo de esta onda, se puede variar con la resistencia variable R2
variando también de ese modo la frecuencia de la señal, pero con este circuito no
se puede conseguir una relación de trabajo igual a 1,
84
£o
Voltaje de salida del NE555
•10
Ifrwfe •k
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t(us)
Figura 4.12: Voltaje de salida del timer NE555
Con el objetivo de tener una señal cuadrada con relación de trabajo a/b=1 se
utilizó un flip-flop. En la Figura 4.13 se puede observar la señal de salida de este
circuito integrado.
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O
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L ^
r -
Voltaje de salida del flip-flop
. . -14. .̂ , :1 P --
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t(us)
11<ri. - - - ff1*
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I\
i , i i . (
_^g__ 4Í3
Figura 4.13: Voltaje de salida del circuito integrado HEF4013B
El circuito ignitor se probó con la lámpara directamente y midiendo el pulso de alto
voltaje generado por el transformador. Este pulso necesario para el encendido de
la lámpara medido sin carga, se puede observar en la Figura 4.14.
85
Pulso de encendido sin carga
t(us)
Figura 4.14: Voltaje en los terminales del secundario sin carga
Se comprobó el correcto funcionamiento del ignitor, y luego se armó el sistema
óptico para de esa manera observar el comportamiento de la descarga en la
lámpara en el momento del encendido. Como última comprobación del
funcionamiento del circuito se midió la corriente a través de la carga, la cual
puede verse en la Figura 4.15.
Corriente a través de la carga
t(us)
Figura 4.15: Señal de corriente a través de la carga en el circuito resonante
86
Cuando se encendió el ignitor, la lámpara se encendió y se observó en la
proyección que existían resonancias muy fuertes en esta frecuencia. Debido a
que las resonancias pueden llegar a romper la lámpara, se apagó el circuito
inmediatamente.
Ninguna de las lámparas presentó resonancias acústicas en el rango de
frecuencias entre 144 hasta 152 kHz, a pesar de haber trabajado con altos
porcentajes de modulación. Sin embargo al probar la lámpara con el circuito
inversor resonante diseñado para ello, es decir con el 100% de modulación, se
presentaron grandes resonancias acústicas.
Estas resonancias además de subir la presión en la lámpara, provocan un
aumento de la corriente a través de los electrodos, la cual circula por el circuito
haciendo que los elementos electrónicos que lo forman, se calienten de manera
excesiva y de esa manera se destruyan.
Se utilizó disipadores de calor para los IGBTs sin embargo no se pudo evitar que
estos se sobrecalentaran y llegaran a dañarse.
Se volvió a probar el circuito con otra lámpara, luego de haber cambiado los
eíementos del circuito, pero la lámpara explotó debido a las fuertes resonancias
que se observaron.
Las resonancias acústicas provocaron un aumento de presión dentro del tubo de
descarga, ío cual llevó a la explosión del mismo y por ende a la explosión de la
lámpara.
CONCLUSIONES YRECOMENDACIONES
87
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En este capítulo se presenta el análisis de los resultados obtenidos que fueron
mostrados en el capítulo anterior.
Esta evaluación de los resultados se realiza para la lámpara de cerámica, la
lámpara de cuarzo y el circuito inversor resonante.
5.1 LÁMPARA DE CERÁMICA
Todas las lámparas de cerámica poseen un intervalo donde no existen
resonancias acústicas, este intervalo se encuentra entre 44 y 70 kHz según los
resultados obtenidos. Existe todavía un pequeño intervalo donde ninguna de las
lámparas presentan resonancias acústicas, entre 94 y 100 kHz. Todas estas
mediciones se hicieron con un 40% de modulación.
Experimentos posteriores mostraron que estas ventanas de frecuencia libres de
resonancias pueden cambiar al aumentar el porcentaje de modulación
desplazándose hacia otro intervalo de frecuencia.
Cada lámpara tiene su propia curva de resonancia en función de la frecuencia.
Estas curvas son diferentes para cada lámpara, a pesar de ello existe un intervalo
común entre 44 y 70 kHz donde ninguna de las lámparas presentan resonancias
acústicas.
Cada lámpara tiene también su propia curva de resistencia en función de la
frecuencia. Sin embargo, en el intervalo donde no se presentan resonancias
acústicas, la resistencia para cada lámpara permanece casi constante.
De esto se puede concluir que las lámparas en condiciones de funcionamiento
normal u óptimo poseen un cierto valor de resistencia característica que
permanece constante mientras la lámpara trabaja sin resonancias acústicas.
E! valor de la resistencia eléctrica propia de cada lámpara en el intervalo de
frecuencias libre de resonancias acústicas, es muy parecido al valor de la
resistencia de la misma lámpara en funcionamiento normal (sin modulación),«
Como ejemplo tenemos la lámpara B10-2 en funcionamiento normal a 35 W, cuya
resistencia eléctrica es de 25.44 o, y la lámpara B10-7 trabajando en el intervalo
de frecuencias libre de resonancias con una resistencia de 24,17 a a 35 W.
Por ello se puede concluir que la resistencia eléctrica es un parámetro importante
para predecir el estado de la lámpara.
Se puede decir además que cada lámpara tiene su propio valor de resistencia
eléctrica, la cual se mantiene aproximadamente constante en todo el espectro de
frecuencia, excepto en el rango donde se presentan grandes resonancias
acústicas.
Las características de resonancia vs. frecuencia de las tres lámparas no son
iguales pero tienden a comportarse de manera similar. Las tres lámparas
presentan por ejemplo grandes resonancias en el intervalo de 30 a 40 kHz y de 70
a 80 kHz.
Debido a esto se podría decir que la ocurrencia de resonancias acústicas tiene
una relación directa con los parámetros eléctricos de la lámpara. La potencia de la
lámpara es uno de esos parámetros.
En experimentos realizados con la misma lámpara a diferentes potencias de
funcionamiento, se puede observar claramente que las curvas tanto de
resonancia asi como de resistencia en función de la frecuencia son diferentes
para cada potencia.
89
El hecho de que la corriente disminuya mientras el voltaje aumenta en las
lámparas de cerámica en funcionamiento normal, como se observó en la Tabla
4.1, corrobora la existencia de una característica típica de las lámparas de
descarga la cual se describió en el Capítulo 1, la característica de resistencia
negativa.
Se encontró entonces que la ocurrencia de las resonancias acústicas en las
lámparas de cerámica esta relacionada con la fluctuación del voltaje y la corriente
en la lámpara.
La potencia de la lámpara se manifiesta como un factor que afecta la inestabiidad
de las lámparas de descargas de cerámica, mientras se opera a una potencia
reducida se observó que existen menos problemas de resonancias acústicas. En
otras palabras, se podría decir que la existencia de resonancias acústicas dentro
del tubo de descarga provoca variaciones en los parámetros eléctricos de entrada
en la lámpara.
De los resultados de las pruebas, se encuentra que el espectro de frecuencia de
resonancias acústicas son diferentes de lámpara a lámpara, a pesar de que estas
sean del mismo tipo y trabajen a la misma potencia.
Resistencia y resonancia se comportan de manera similar, especialmente en los
puntos donde existe mayor resonancia.
La característica de resistencia en función de la frecuencia a diferentes potencias
mantiene la misma forma pero se desplaza en el dominio de la frecuencia.
Sí existe un rango libre de resonancias acústicas, al menos para un valor
relativamente bajo de modulación, siendo este desde 44 hasta 70 kHz.
Cuando no existen resonancias la resistencia para cada lámpara se mantiene
relativamente estable dentro de ese rango.
90
Así por ejemplo la lámpara B8-8 posee una resistencia que se encuentra en el
intervalo desde 17,96 < R(o)<20.44, la lámpara B10-7 tiene una resistencia entre
22.70 < R(Q) < 24.17, y la lámpara B8-9 tiene una resistencia de 16.36 o en todo
el intervalo de frecuencia.
Las diferentes lámparas se comportan de manera similar; es decir, tienen formas
de onda parecidas. En los puntos donde existen resonancias, tiende a subir la
resistencia de la lámpara.
En la característica de voltaje versus corriente de la lámparas se puede decir que
la lámpara se comporta o cumple con la característica de resistencia negativa
como toda lámpara de descarga de alta presión, donde el voltaje disminuye
mientras la corriente sube.
El grado de modulación es importante y la característica de cada lámpara varia
también según el porcentaje de modulación con que funciona la lámpara.
En las áreas libres de resonancias acústicas la lámpara tiene un valor de
resistencia de 25 O que es el valor aproximado de la resistencia en
funcionamiento normal.
Se realizó el gráfico de la resistencia en función de la frecuencia con el objetivo de
encontrar una relación entre los parámetros eléctricos de la lámpara y las
resonancias acústicas. Del mismo se puede concluir que la resistencia eléctrica
es un parámetro muy importante para determinar si la lámpara se encuentra
trabajando en condiciones de funcionamiento normal o en resonancia.
Se obsen/ó en este gráfico que en las zonas donde la lámpara presenta
resonancia acústicas grandes, la resistencia incrementa visiblemente, y en las
zonas donde la lámpara no presenta resonancias, la resistencia permanece
relativamente constante.
91
5.2 LAMPARA DE CUARZO
Estas mediciones se hicieron de diferente manera, con diferentes niveles de
modulación. Para cada frecuencia de trabajo se subió la modulación
gradualmente hasta llegar a un valor donde la lámpara presentara resonancias.
Se hizo mediciones del nivel de resonancias acústicas de 10 lámparas de cuarzo
OSRAM Xenarc D2S, 35 W en un rango de frecuencias de 20 a 200 kHz en pasos
de 2 kHz, con diferentes porcentajes de modulación.
Las lámparas utilizadas para este experimento correspondían todas al mismo
grupo de fabricación, por lo cual se puede suponer características similares y el
mismo número de horas de uso.
Los experimentos se realizaron solamente hasta 200 kHz, pero existe un pequeño
intervalo a partir de 198 a 200 kHz donde tampoco se presentaron resonancias
para ninguna de las lámparas.
Debido a este resultado se experimentó brevemente en frecuencias mayores a
200 kHz con algunas de las lámparas y se encontró que en el intervalo de 200
hasta 210 kHz aproximadamente no existen resonancias, a una frecuencia mayor
a 210 kHz se observaron nuevamente resonancias.
Todas la lámparas de cuarzo muestran un comportamiento diferente de
resonancia y resistencia en función de la frecuencia en todo el rango de
frecuencias, excepto en la pequeña ventana de frecuencias donde ninguna de las
lámparas mostró resonancias desde 144 hasta 152 kHz. De ello se puede deducir
que en ese rango todas las lámparas funcionan sin ninguna resonancia.
Cada lámpara tiene un valor de resistencia que se mantiene relativamente
constante en todo el intervalo de frecuencia y es diferente para cada lámpara.
92
Según los gráficos realizados en el Capítulo 3 se puede apreciar que la
resistencia en los diferentes rangos de frecuencia tiene siempre un valor diferente
para cada lámpara. Pero de la misma manera, para cada lámpara la resistencia
se mantiene relativamente constante, a excepción de los intervalos donde existe
resonancia.
En el intervalo de mayor resonancia, entre 96 y 110 kHz todas las lámparas
tienden a subir el valor de la resistencia. Sin embargo, el incremento de
resistencia no siempre coincide con la aparición de un alto porcentaje de
resonancia.
En el rango de frecuencia donde no existen resonancias en cambio, el valor de
resistencia tiende a mantenerse relativamente constante para cada lámpara.
El valor de la resistencia eléctrica de estas lámparas en el rango libre de
resonancias no es igual al valor de la resistencia de la misma lámpara en
funcionamiento norma!, sino siempre mayor. La lámpara de cerámica en cambio
tiene un comportamiento totalmente diferente a este,
Por ello no se puede predecir el comportamiento de las lámparas de cuarzo
mediante la observación de la variación de la resistencia eléctrica, como sucedió
con la lámpara anterior.
En los rangos de frecuencia donde existen grandes resonancias, aumenta
también el valor de la resistencia en relación a la resistencia promedio observada
en los demás valores de frecuencia.
A pesar de ello no se puede decir que el solo aumento de la resistencia pueda
llevar a provocar resonancias acústicas en la lámpara, ya que también en los
intervalos de frecuencia donde no existen resonancias, se puede observar un
aumento en el valor de la resistencia eléctrica de la lámpara.
93
Por ello es posible concluir en forma global que el comportamiento de las
resonancias acústicas existentes no depende del comportamiento de la
resistencia eléctrica en la lámpara de cuarzo.
5.3 CIRCUITO INVERSOR RESONANTE
El circuito inversor resonante diseñado para suministrar corriente a las lámpara de
prueba utilizadas, presento problemas al trabajar con altas frecuencias.
Una de las razones para ello podría ser que la lámpara en realidad presentaba
resonancias demasiado fuertes en ese rango de frecuencias. De ello podría
decirse que las lámparas de cuarzo en realidad no tienen ninguna ventana de
frecuencias libre de resonancias dentro del intervalo investigado desde 20 a 200
kHz.
Según los experimentos realizados se comprobó que las lámparas podían
repentinamente presentar resonancias a una cierta frecuencia aunque unos pocos
kHz antes no hayan presentado ninguna.
Se aconsejaría primeramente buscar ventanas de frecuencias libres de
resonancias acústicas en un intervalo de frecuencia mayor a los 200 kHz.
Al provocarse una resonancia en la lámpara existe un aumento de corriente tal
que uno de los IGBTs se dañó rápidamente y provocó un cortociruito en los
demás elementos.
El objetivo del trabajo era probar este circuito en un valor de frecuencia donde no
existan resonancias. Se encontró esta frecuencia pero sin embargo la lámpara
presentó resonancias al probarla con 100% de modulación.
94
5.4 RECOMENDACIONES
En los resultados se encontró que existe un pequeño intervalo de frecuencias
entre 198 a 200 KHz donde ninguna de las lámparas presenta resonancias, por
ello se recomienda, para posteriores investigaciones, buscar un rango de
frecuencia libre de resonancias en regiones de frecuencia mayores a 200 KHz.
Debido a que los experimentos demostraron que las ventanas de frecuencia libres
de resonancias pueden desplazarse al aumentar el porcentaje de modulación, es
aconsejable para las mediciones mantener fijo este porcentaje y trabajar, donde
sea posible, con porcentajes altos de modulación, se recomienda valores mayores
al 80%.
En el trabajo realizado se tomó datos de las dos lámparas, tanto de la de
cerámica como la de cuarzo; pero el objetivo real era probar el inversor resonante
para la lampara de cerámica que se está desarrollando. Sin embargo, debido a la
poca disponibilidad de estas lámparas esto no se pudo llevar a cumplir, por lo que
se recomienda continuar en esta dirección con más lámparas de cerámica.
Como se observó en los datos analizados, los resultados no son los mismos para
las lámparas de cerámica y para las lámparas de cuarzo, por lo cual se
recomienda trabajar directamente de preferencia con la lámpara objeto del
trabajo.
Se recomienda poner mayor atención en los intervalos donde no se encuentra a
primera vista resonancias, y establecer, si es posible, medidas más finas en este
intervalo, para de esa manera saber con mayor certeza de la existencia o no de
resonancias.
Sabiendo que los parámetros eléctricos juegan un papel trascendental en la
ocurrencia de resonancias acústicas, es imprescindible tomar minuciosamente los
datos de voltaje, corriente y potencia de las lámparas de prueba a medida que
varía la frecuencia de trabajo.
95
Es así mismo importante, tratar de mantener siempre el mismo nivel de
modulación, y potencia al tomar las medidas para las diferentes frecuencias de
trabajo, con el objetivo de que una posterior comparación de datos sea posible.
Para tener un punto de comparación, es necesario tomar los datos tanto eléctricos
como visuales del comportamiento de las lámparas en funcionamiento normal y
cuando éstas presentan resonancias acústicas.
Se ha visto de los experimentos que la ocurrencia de resonancias acústicas tiene
que ver con la variación de la potencia de trabajo de la lámpara; por ejemplo, se
presentan menos resonancias acústicas si la potencia de trabajo es menor que 35
W, por lo que se podría decir que de ser posible se trate de diseñar una lámpara
con menor consumo de potencia.
Para evitar pérdidas innecesarias de elementos electrónicos durante las pruebas,
es .aconsejable mejorar la protección de sobrecorriente de los IGBTs.
De ser posible, es importante que el grupo de lámparas escogidas para el
experimento sea de la misma remesa de fabricación y las mismas características,
tales como; tipo de lámpara, potencia, tiempo de vida, tiempo de uso, etc.
El circuito inversor de medio puente utilizado es muy inestable y no utiliza ningún
aislamiento entre alto y bajo voltaje, por lo cual es aconsejable buscar alternativas
como un opto acoplador para lograr aislamiento. Otra alternativa sería pensar en
la posibilidad de utilizar un circuito totalmente diferente al utilizado en este trabajo.
REFERENCIASBIBLIOGRÁFICAS
95
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[I] J.F. WAYMOUTH: "Electric Discharge Lamps", M.Í.T. (MassachusettsInstitute of Technology) Press, United States of America, 1971
[2] OSRAM GmbH: "Taschenbuch der Lampentechnik", Berlin-München, 1987
[3] Elektronische Lampenvorschaltgeráte, Grundlagen - Dimensionierung -Beispiele, Dissertation(B) zur Erlangung des Akademischen Grade ,,Doktorder technischen Wissenschaften" eingereicht be¡ der Akademie derWissenschaften der DDR von Dr. rev. Mat. Wolfgang Rohrbeck,Zentralinstitutfür Elektronenphysik Forschungsbereich Physik.
[4] PAUL HOROWITZ; WINFIELD HILL: "The Art of Electronics", SecondEdition, Cambridge University Press, United States of America, 1989.
[5] CHR. MEYER, H. NIENHUIS: "Discharge Lamps", Philips Technical Library,KluwerTechnische Boeken B.V., Deventer-Antwerpen, 1988
[6] OSRAM SYLVANIA: "Specificatíon for electronic Ballast", BerveriyMassachusetts, 2001.
[7] PHILIP T. KREIN: "Elements of Power Electronics33, OXFORD UniversityPress Inc., Oxford, 1998.
[8] TECHNISCHES LEHRINSTITUT UND VERLAG: "FormelsammlungElektroberufe (Nachrichtentechnik) ", Verlag Dr.-lng P. Christiani, Konstanz,1986.
[9] R. PREGLA: "Grundlagen der Elektrotechnik", Teil I: Felder undGleichstromnetzwerke, Verlag Dr. Alfred Hüthig, Heide(bergí1984.
[10] BÁHR-ECKE: "Grundlagen der Elektrotechnik", VEB Verlag Technik, Berlín,1978.
[II] DATENBUCH: "Kerne und Bauelemente", Vacuums Schmelze, Frankfurt amMain, 1988.
[12] "Das groíie Werkbuch Elektronik", 5. Auflage, Teil A und Teil B, VerlagNührman Franzis, München, 1989.
[13] C.J. SAVANT: "Diseno Electrónico, Circuitos y Sistemas31, Tercera edición,Prentice Hall, México, 2000.
[14] ANDREAS LEMBCKE: Diplomarbeit: "Zündung von Natrium-Hochdrucklampen", Technische Universitát Berlín, Instituí für Lichttechnik,Berlín, 1997.
96
[15] HAMEG INSTRUMENTS: "Manual Funktionsgenerator HM8030-4",Frankfurt, 1991.
[16] F.U.G. ELEKTRONIK GmbH: £Technische Unteriagen MCA 750-750",Rosenheim,1995.
[17] MUHAMMAD H. RASHID: £ C Circuitos, dispositivos y aplicaciones", Segundaedición, Prentice Hall Hispanoamericana S.A., México, 1995.
[18] N. MOHÁN, T. UNDELAND, W. ROBBINS: "Power Electronics: Converters,Applications, and Design", John Wiley & Sons, Canadá, 1989.
[19] TEKTRONIX: "User Manual", Tektronix Inc., United States.
[20] YAO C. HSIEH, CHIN S. MOO: tc Detection of Acoustic Resonance in MetalHalide Lamps", Journal of the IEEE International Symposium on Industrial"Electronic, Taiwan, 2001.
[21] R. K. PAVAO, F. E. BISOGNO: t£ Self-oscillating electronic ballast designbased on the point of view of control system", Journal of the IEEE IndusíryApplications Conference, Brasil, 2001.
[22] FORMELSAMMLUNG: "Elektroberufe, Nachrichtentechnik", Verlag Dr-lng P.Christiani GmbH, Konstanz, 1986.
[23] SIEMENS MATUSHITA COMPONENTS: "Ferríte und Zuberhór Datenbuch",Germany, 1997.
[24] Dr. THOMAS HARTMANN: £ C Experiencias personales en laboratorio",OSRAM GmbH Berlín, Alemania, 2002.
[25] Dipl-lng. MATTHIAS LAU: í£ Experiencias personales en laboratorio",OSRAM GmbH Berlín, Alemania, 2002.
[26] Prof. KLAUS GUENTHER: " Experiencias personales en laboratorio",OSRAM GmbH Berlín, Alemania, 2002.
[27] Dipl-lng. MICHAEL BOENIG: t£ Experiencias personales en laboratorio",OSRAM GmbH Berlín, Alemania, 2002.
[28] OSRAM: "D2S-Lamp XENTRONIC Specification of the Lamp and theInterface", Germany, 1999.
[29] F. DI GIOVANNI, R. SCOLLO: " Hígh Voltage Mdmesh MOSFETs andPowerMESH IGBTs optimize High Intensity Díscharge lamps (HID)", Italy,2000.
97
[30]GÜNTHER HÁHNEL: " Technisch-wissenschaftliche Abhandlungen derOsram- Gesellschaft", Springer-Verlag, Berlín, 1986.
[31] CEKIT: "Tu futuro es la Electrónica", Revista especializada, Edissa,Colombia, 1988.
[32] R, SCHÁFER, H. P, STORMBERG: í£ Akustische Resonanzen ¡nHochdruckgasentladungslampen", Aachen, 2001.
[33] J. S. WON, D. H. KIM: cí A study on Characterisitc Estimation of ZVS HighFrequency Resonant Inverter", School of Electrical and ElectronicEngineering Yeungnam, South Korea, 2001.
[34] WEI YAN3 S. Y. HUÍ: " Stability study and control methods for small-wattagehigh-íntensity-discharge lamps (HID)3', IEEE Transactíons on ¡ndustryapplications, Hong Kong, 2001.
APÉNDICE A
98
APÉNDICE A
TABLA DE DATOS
VL: Voltaje en los terminales de la lámpara
ll_: Corriente a través de la lámpara
Res.: Nivel de resonancia acústica observada
R: Resistencia de la lámpara en funcionamiento
Mod.: Porcentaje de modulación de frecuencia
Tabla A.l
f(kHz)
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
58
60
: Tubo de
VL(V)
25,2
25,2
25,2
25,2
25,3
25,7
28,3
32
26,6
29
26,5
27,6
26
25,9
25,8
25,7
25,8
25,7
25,6
25,4
25,1
zafiro B í
IL(A)
1,1147
1,0826
1,072
1,0777
1,0673
1,0566
0,9657
0,8251
1,024
0,8931
1,0141
0,9757
1,0466
1,0445
1,0600
1,0582
1,0574
1,0571
1,0717
1,0783
1,0904
3-9, 25
Res.
0
0
0
0
0
11-t
2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
W, modulación
R(fí)
22,61
23,28
23,51
23,38
23,38
23,70
24,32
29,31
38,78
25,98
32,47
25,98
32,47
26,13
28,29
24,84
24,80
24,34
24,29
24,40
24,31
de frecuencia
f(kHz)
62
64
66
68
70
72
74
76
78
SO
82
84
86
88
90
92
94
96
98
100
aproxim
VL(V)
25
25
25,1
24,7
24,8
24,8
24,8
27,2
34,2
29,9
29,8
29,8
27,9
29,7
28,9
28,1
29,1
28,3
27,2
27,3
adámente
IL(A)
1,1001
1,0946
1,1060
1,1128
1,1308
1,1146
1,0974
0,9982
0,7583
0,9041
0,8946
0,9133
0,9768
0,9036
0,9246
0,9658
0,9269
0,9527
1,0029
0,9972
40%
Res.
0
0
0
0
0
0
1•~t
2
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
R(n)23,89
23,56
23,02
22,73
22,S4
22,69
22,20
21,93
22,25
22,60
27,25
45,10
33,07
45,10
33,07
33,31
32,63
28,56
32,87
31,26
99
Tabla A.2: Tubo de zafiro B 8-9, 30 W3 modulación de frecuencia aproximadamente 40%
f(kHz)20
2224
2628
30323436
3840
4244
464S
5052
5456
5860
6264666870
7274
76788082848688909294
9698
100
VL(V)25,4424,6824,53
24,324,3124,7425,1527,2827,7626,4126,4825,6125,3125,5125,41
24,9325,4
27,927,6
27,627,327,227,126,6
26,626,8
26,526,1
28,833
30,235
32,734,2
28,729,529,629,4
28,628,3
28,3
U* (A)
1,18231,226
1,23941,25121,2568
1,231,20661,10671,08821,14691,14091,176
1,19211,19161,19241,21881,19271,18381,18761,18941,1816
1,23121,216
1,25541,2411,23771,26451,30481,14160,96251,08770,91890,96980,91671,19741,10321,11841,12611,15141,1873
1,1864
Res.0
00000021
100000000000
000000111
*>
?
110000000
R(n)21,52
20,1319,79
19,4219,3420,1120,8424,6525,5123,0323,2121,7821,2321,4121,3120,4521,3
23,5723,2423,223,1
22,0922,2921,1921,4321,65
20,9620
25,2334,2927,7738,0933,7237,31
23,9726,7426,4726,11
24,8423,8423,85
100
Tabla A.3: Tubo de zafiro B 8-9, 35 W, modulación de frecuencia aproximadamente 40%
f(kHz)202224
2628
3032
3436
3840
42444648
5052
5456
5860
626466
6870
7274
7678
SO82
8486
8890
92949698
100
VL(V)26,926,526,826,926,826,927
28,632,2
28,328,6
27,627,2
24,9125,46
25,5925,5425,4425,3925,3525,2824,7624,7724,7724,3224,1
24,9224,1825,0726,9932,8430,7
28,3529,12
30,2529,2
29,1830,8
28,8627,3427,35
IL(A)1,47651,50341,46691,46201,46161,44921,44881,33331,13091,34921,31811,39911,42921,41561,38721,37681,38261,39971,38841,39281,39801,43161,43431,43951,46041,47331,41841,46861,40921,315
1,06721,14051,23561,21451,16141,2212
1,21971,15641,20331,2968
1,2915
Res.00011112io
2
1
00
00
00
00
00
000
0000
0100
22
01
1000
0
R(n)18,22
17,6318,2718,4018,3418,5618,6421,4528,4720,9821,7019,7319,0317,6018,3518,5918,4718,1818,2918,2018,0817,3017,2717,21
16,6516,3617,5716,4617,7920,5230,7726,9222,9423,9826,0523,9123,9226,6323,9821,08
21,18
101
Tabla A.4: Tubo de zafiro B 8-8, 35 W, modulación de frecuencia aproximadamente 40%
f(kHz)2022242628
30323436
3840
424446485052
5456
5860
626466
6870
7274
7678
80828486
88909294
9698
100
VL(V)26,827,527,427,226,726,227,3
28,734,125,S26,825,225,625,525,525,725,7
25,726,7
26,826,7
26,726,626,6
26,927,0
26,826,627,026,9
26,826,8
26,926,826,826,826,826,8
26,826,8
26,8
IL(A)1,3601,3071,3011,3261,3561,353
' 1,320
1,2601,055
1,4201,3401,4401,4201,4201,4201,4211,3901,4001,3481,3301,3301,3301,3301,3401,3401,3211,3201,3391,3391,339
1,3391,3301,3301,3301,3301,3301,3301,3301,3301,3301,330
Res.0011112-i"i
2
2
1
11110
0000
000
122
110
00
000000
000
R(n)19,7121,0321,0620,5119,6919,3720,6822,7832,3218,1720,0017,5018,0317,9617,96
18,0918,4918,3619,8120,1520,0820,0820,0019,8520,0720,4420,3019,8720,1620,0920,0120,15
20,2320,1520,1520,1520,1520,15
20,1520,15
20,15
C\
O
O XJ 53 H
s o ,-— * tu -<J g - 1C
A
CO
1001 o m r- VO 01 o m o es
T— 4
m m CA OJ 01 ° <001
01
T 1
co 01 Oí
vo 10 rn co m 01 o OO vo o 01 vo f- oo OJ 01
vo VO o m 01 t̂- 0) o vo o 01 c- CA 01
VD CS
CAO vo m VO 01 o ro CA T—
l
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01 01 ro r-- OO01 o co CA O 'O,
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1
LJ m OOCA
OO o en en 10 >001 o co f- 1 —
t
CA CA"
01 o o i— i
103
Tabla A.6: Lámpara OSRAM XENARC tipo D2S # I, 35 W
f(kHz)20
2224
2628
30
323436
3840
4244464850525456
5860
626466
6S707274
7678808284868890
92949698
100
102104
106108110
VL(V)86,786,686,586,386,586,686,487,285,785,385,685,485,485,585,5
88,185,7
85,7SS,3
86,985,6S9,S89,087,886,886,887,586,586,786,386,886,6S6,S87,388,089,290,296,393,1
94,499,297,978,0
93,496,192,6
IL(A)0,42310,41330,41390,41440,41380,41360,41350,41050,41760,41970,41870,41960,41940,41880,41960,40720,41850,41930,40680,41330,42060,39980,40380,4092
0,41490,41410,40960,41520,4 i 440,41560,41320,41390,41330,41230,40760,40190,39840,38520,38530,3785
0,36070,36550,45900,38350,37380,388
Res.00000000000000000
0122*>
2
1
00
00
00
00
0000
1133
333344
R(0)204,92
209,53208,99208,25209,04209,38208,95212,42205,22203,24204,44203,53203,62204,15203,77216,36204,78204,39217,06210,26203,52224,61220,41214,57209,21209,61213,62208,33209,22207,65210,07209,23210,02211,74215,90221,95226,41250,00241,63249,41
275,02267,85169,93243,55257,09238,66
Mod.(%)65,263,159,859,461,564,864,265,054,552,753,1
53,950,0
50,353,054,256,564,466,766,066,054,765,066,3
62,462,161,459,253,360,4
58,757,5
59,865,367,370,267,366,068,0
62,8
60,652,042,458,635,334,7
104
Tabla A.7: La
f(kHz)112
114116
118120
122124
126128130
132134136
138140
142144
146148
- 150152154
156158
160162
164166
168170172174
176178
180182184186188190
192
194196
198200
mpara XENAVL(V)
9089,589,2
8989,288,390,890,689,988,787,987,587,388,1 '88,388,988,989,289,288,489,586,386,485,987,286,687,387,5
87,787,888,788,188,688,789
88,888,988,788
88,188,189,189,286,387
RC tipo D2S ¿
IL(A) '0,39710,40080,40130,40230,40340,40540,39280,39470,39840,41230,40690,40670,40110,40660,40660,40660,40660,41570,41340,412
0,41560,40410,40380,40340,40320,40320,40140,40470,40660,4058
'0,40890,4090,40320,41380,4142
0,41
0,41540,41590,41310,41320,411
0,40890,41890,40790,4082
-1, 35 W
Res.3
33332111110i00
000000000
00
019
222•>
1111000
02
100
R(0)226,64223,30222,28221,23221,12217,81231,16229,54225,65215,13216,02215,15217,65
216,67217,17218,64218,64214,58215,77214,56215,35213,56213,97212,94216,27214,78217,49216,21
215,69216,36216,92215,40219,74214,35
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Mod.(%)34,733,235,337,172,583,774,280,567,887,793,194,197,673,695,496,999,897,497,196,289,389,899,391,899,399,399,792,5-73,285,075,346,464,769,674,380,772,893,498,698,397,697,589,787,896,4
105
Tabla A.8: La
f(kHz)20
2224
2628
3032
3436
3840
4244
4648
50525456
5860
626466
6870
7274
7678
SO828486
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92949698
100
102104
106108110
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RC tipo D2S #
BOCA)0,3882
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23 35 W
Res.1
11
11
11
11
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00
000022
100
00
000000
01110
00
12
21
111
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Mod.(%)41,540,841,342,830,541,564,654,752,140,239,940,040,5
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20,920,019,9
106
Tabla Á.9: La
f(kHz)112
114116
118120
122
124
126128
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168170
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186188190
192
194196
198200
mpara XENA
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91,70
91,9091,8091,8091,80
RC tipo r>2$ aDO (A)0,37440,37950,38290,38610,38570,45250,45240,45240,45240,45230,4522
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0,39110,39070,39100,39060,3893
2, 35 W
Res.222
11
11
11
11
11
11
0000
0000000
23
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021000
000
00
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174,9175,0
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Mod.(%)19,419,620,420,220,3
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107
Tabla A.10: L
ffkHz)20
2224
2628
3032
3436
3840
4244
464850525456
5860
626466
6S70
7274
7678
" 8082
8486
8890
929496
98
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102104
106108110
ampara XEN¿
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104,40103,50104,10105,70104,80107,20
VRC tipo D2S
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#4, 35 W
Res.1
11
1
1
11
11
11
11i12
12
1
19
1111111
11
11
11
12
2444
2222
23
Rfn)287,1289,1290,7288,3286,4292,0288,0289,3291,2
• 291,7290,6
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350,7357,8319,9
302,7299,5300,9311,2305,4317,0
Mod.(%)30,827,154,2
52,038,5
40,1 •32,847,051,649,756,5
39,051,157,344,3
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29,165,4
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20,9
15,725,548,168,463,343,9
108
Tabla AJÍ: L
f(kHz)112
114116
118120
122124
126128
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192
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IRC tipo D2S
DO (A)0,3405
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0,34500,34010,34630,34730,34930,34630,34860,34940,34920,34920,34890,3488
0,34910,34890,34850,34830,3483
#4, 35 W
Res.2
22
21
11
11
11
1i
000000001000022io42-i
22
10
0000
02000
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295,9295,0294,8295,2
295,6299,8299,0299,2299,0302,2
301,9303,0302,3303,0305,2301,7300,S301,4300,8304,5299,5301,2309,0300,6295,7292,9298,9296,3294,2294,7295,2295,5295,0
294,8294,1295,3295,4295,4
Mod.(%)25,721,478,477,687,996,685,987,588,691,391,292,169,994,994,596,398,598,198,89S,S98,484,599,299,698,898,986,463,966,093,3
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109
Tabla A.12: 1
f(kHz)
20
2224
2628
3032
34363840
4244
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106108110
ampara XEN^
Res.
00111111111111121
12i
22•>
1111I111111113339i
34123
\RC tipo D2S
Mod (%)
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68,953,034,2
#5, 35 W
f(kHz)
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116
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122124
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198200112
Res.
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22
22
22
222
0
42
00000000001112i
i
1i
2
21
i1000
03
11002
Mod.(%)
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96,397,898,699,398,297,497,397,096,195,889,033,3
110
Tabla A.13: 1
f(kHz)20
2224
2628
3032
3436
38404244
464850525456
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626466
6870
7274
767880828486
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92949698
100
102104
106108110
ampara XENj
Res.1
11
11
11
11
11
11
1111
112
1
11100
00
00
00
00
00
339
9
229
243
\KC tipo D2SMod (%]
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42,966,455,067,268,670,063,869,872,969,276,474,877,777,872,860,145,036,6
18,723,652,772,758,541,5
# 6, 35 W
f(kHz)112
114116118120
122124
126128
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Res.1
1111
11
00003i
101100002
1000039
2
13n
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1010
0
20001
Mod.(%)14,918,182,2815482,1
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95,7
94,891,394,693,591,714,9
111
Tabla A.14: L
f(kHz)20
2224
2628
30323436
3840
4244
46485052
5456
5860
626466
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929496
98
100
102104
106108110
ampara XEN¿
VL(V)89,589,489,389
89,189,689,589,889,789,689,889,589,689,5S9,589,589,389,390,190,390,790,191,991,591,691,492,391,5
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92,592,6
92,592,5
91,491,293,891,491,690,789,993,496,192,6
\RC tipo D2S
IL(A)0,40010,401
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22
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333
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112
Tabla A.15: 1
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113
Tabla A.16: 1
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Tabla A.17: 1
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115
Tabla Á.18: 1
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ampara XENj
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#9, 35 W
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' 217,6
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Mod.(%)20,8
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117
Tabla A.20: L
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#10, 35 W
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22i
3ii
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221,6222,1
221,8220,9223,7221,9223,3223,0221,9222,2221,0221,5222,1221,9999 9
228,4224,7225,6223,0223,0223,8222,8225,1
290,6285,32S5,4286,6286,5292,4
289,1289,3288,6301,5289,5292,1310,8286,1
284,9281,3282,4279,8283,7303}1
Mod.(%)34,841,134,2
31,830,529,731,053,552,1
51,050,5
49,04S,447,847,2
45,843.744,144,918,338,7
42,440,640,4
41,141,2
59,756,455,255,455,165,859,659,359,973,161,251,643,3-> -i iJO,J
16,9
21,143,926,542,895 9— ',—
118
Tabla A.21: L
f(kHz)112114116118120
122124
126128130132134136
138140
142144
14614S150152154156158
160162164166168170172174
176178
180182
184186188190
192194196198200
ampara XEN¿
VL(V)100,9100,3100,1100,410099,9100
100,2100
100,2100,4100,2100,2
100,4100,6100,4100,5
100,6100,7
100,7100,9101,1100,7100,5
100,7100,8
100,7101,5100
100,2100,4100,3
9999,2100,2100
99,8100100100
100,3
99,9100,3100,6100,4
VRC tipo D2S
IL(A)0,35180,35430,35510,35480,35520,35620,35540,3540,35630,35340,35440,35350,35380,35290,35240,35360,35350,35370,35360,353S0,35320,352S0,35330,3530,35230,35520,35470,35150,35310,35250,353
0,35260,35970,3607
0,36190,35450,35440,35510,35540,3542
0,35470,35640,35520,35360,3542
#10, 35 W
Res.2
2
211
11
i22
111
111000
00
100
00
14ii
21
21
11
111
1
1
11
' 10
R(fí)286,8283,1
281,9283,0281,5
280,5281,4
283,1280,7283,5283,3283,5283,2284,5285,5
283,9284,3284,42S4,S284,6285,7286,6285,0284,7285,8283,8283,9288,8283,2284,3284,4284,5275,2275,0
276,9282,1281,6281,6281,4282,3
282,8280,3282,4284,5283,5
Mod.(%)20,1
21,949,473,968,771,371,780,169,972,480,570,071,2
72,863,862,292,092,092,1
92,392,1
91,992,392,292,191,891,387,555,857,372,550,654,057,617,729,0
55,434,034,756,493,1
92,668,771,592,1
119
Tabla A.22: L
f(kHz)20
22 -24
2628
3032
3436
3840
4244
464850
52
5456
5860626466
6870
7274
76788082
8486
8890
929496
98
100
102104
106108110
ampara XEN;
VL(V)88,6898989,188,988,988,988,7OO H00, /
OO /C00,0
88,588,488,388,488,4QQ 1oo,J
88,2
88,388,389,588,488,488,3C?Q 100, 3
88,388,388,38989,589,2
89,295,694,994,99896,599,594,294,693,793,293,796,49499,896
IRC tipo D2S
IL(A)
0,38460,39250,39790,39630,39760,39840,39760,40110,40060,39950,39880,40020,40150,40020,40010,39930,39880,40270,40020,39730,40150,40170,40090,40070,40140,40090,39930,39970,39630,39560,39490,37040,3730,37230,37340,36860,37230,37760,3770,3790,37940,38010,36530,37870,3590,373
#11, 35 W
Res.1111111111íi111111121111
11
12
1111
10
0222
3
3i
32
244
R(H)230,4
226,8223,7224,8223,6223,1223,6221,1221,4221,8221,9
220,9219,9220,9220,9221,1221,2
219,3220,6225,3220,2220,1220,3220,4220,0220,3221,1222,7
225,8225,5225,9258,1
254,4254,9262,5261,8267,3249,5250,9247,2
245,7246,5263,9248,2278,0257,4
Mod.(%)39,243,843,341,239,943,241,2
39,544,644,446,045,942,043,741,443,639,839,537,840,738,537,937,336,736,439,0
61,557,671,867,667,563,864,463,570,070,066,553,750,3
31,7
52,857,673,457,935,830;7
120
Tabla A.23: Lf(kHz)112
114116118120
122124
126128130132134136
138140
142144
146148150152
154156158160162164166
168170172174
176178180182184186188
190
192194196
198200
ampara XEH¿
VLW94,693,893,39392,392,892,792,592,292,292,192,392,3
93,292,4
92,392,492,592,592,492,5
92,692,692,792,692,592,792,8
92,692,592,392,4
90,590,690,590,89190,991,3
91,791,791,791,791,891,8
VRC tipo D2S
IL(A)0,3738
0,37940,37920,38040,3856
0,38570,38730,38740,38490,38580,38780,38750,38750,38010,38430,3874'0,38850,38580,3868
0,38570,38530,38640,38510,38490,38540538550,38540,38550,38440,38410,38470,38990,39230,39170,39260,39180,38760,3920,38910,3882
0,38810,38870,3888
0,38770,3887
#11, 35 WRes.22
2
2121111100iij110000
00000001
21
322
222
21
1
1
0000
R(H)253,1
247,2246,0244,5239,4240,6239,3238,8239,5239,0237,5238,2238,2245,2240,4238,3237,8239,8239,1239,6240,1
239,6240,5240,8240,3239,9240,5240,7
240,9240,8239,9237,0230,7231,3
230,5231,8
234,8231,9234,6236,2
236,3235,9235,9236,8236,2
Mod.(%)21,536,437,6
63,969,072,985,885,064,075,587,688,488,480,980,2
43,965,683,485,386,185,584,486,184,884,581,990,891,483,882,291,178,5
66,043,451,956,768,259,582,863,776,5
81,680,881,878,3
APÉNDICE B
121
APÉNDICE B
DATOS TÉCNICOS
GENERADOR DE FUNCIONES
Generador de funciones HM 8030-4
HAMEG INSTRUMENTS
Datos técnicos:
o Margen de frecuencias 0,3 Hz- 3 MHz
o Indicación digital de frecuencias
o Funciones: senoidal, rectangular, triangular, y continua
o Ajuste DOoffset, salida de disparo
o Bajo factor de distorsión
o Tensión de salida: máx. 10 Vpp con una carga de 50 Q; sin carga 20 Vpp
o Impedancia 50 Q
Factores de distorsión de onda senoidal
0,3 Hz hasta 100 kHz: máx. 0,5 %
0,1 MHz hasta 0,5 MHz: máx. 1,5%
0,5 MHz hasta 3 MHz: máx. 3 %
Error en amplitud (senoidal y triangular)
0,3 Hz hasta 0,3 MHz: máx. 0,2 dB
0,3 Hz hasta 0,3 MHz: máx. 0,2 dB
Atenuación de la tensión
Total:-60 dB
2 teclas con atenuadores fijos: a -20 dB ±0,2 dB
variable: O hasta-20 dB
122
SISTEMA DE BOMBEO TURBO-MOLECULAR
Para lograr el vacío dentro del tubo de vidrio se utilizó un sistema de bombeo
turbo-moíecular como el mostrado en la Figura A.1.
Figura A.1: Sistema de bombeo turbo-molecular para generación de vacío dentro del tubo
El sistema de bombeo turbo molecular PT50 de LEYBOLD AG comprende de una
bomba de aspas rotatorias de dos etapas, como bomba de respaldo, una bomba
turbo-molecular, un conversor de frecuencia de estado sólido, dos válvulas y un
medidor de presión de vacío.
123
BOMBA TURBO-MOLECULAR
Turbomolecular pump TURBOVAC 50
LEYBOLD AG
La turbo-bomba molecular TURBOVAC 50 esta diseñada para evacuar pequeños
recipientes al vacío a presiones en el rango de alto-vacío.
Para la operación de esta bomba se requiere de una bomba de respaldo y un
conversor de frecuencia. El TURBOVAC consiste esencialmente de un rotor
multietapas, un control y el sistema de lubricación.
Se requiere de un conversor electrónico de frecuencia para manejar la frecuencia
media del motor en la bomba. Este dispositivo convierte la frecuencia principal a
la frecuencia de manejo requerida por el TURBOVAC.
BOMBA DE RESPALDO
PumpTRIVAC B
D4B LEYBOLD AG
La bomba de respaldo TRIVAC B es una bomba de aspas rotatorias de doble
etapa. El número 4 de la designación del tipo, indica la capacidad de la bomba 4
m3/h. Las bombas tipo B pueden bombear gases, vapores y evacuar recipientes o
sistemas al vacío en un rango de vacío medio.
CONVERSOR ELECTRÓNICO DE FRECUENCIA
TURBOTRONIKNT10
LEYBOLD AG
124
Es un conversor electrónico de frecuencia, el cual pone en marcha la bomba
TURBOVAC 50. Este dispositivo se encarga de cambiar el voltaje monofásico de
la red en un voltaje alterno trifásico para controlar el motor asincrónico de la turbo-
bomba molecular TURBOVAC.
Datos técnicos:
Rango de voltajes de conección: 90-140 V, 180-260 V
Frecuencia: 50/60 Hz
Número de revoluciones nominal del TURBOVAC: 72000 min'1=1200 Hz
Consumo de potencia:
Encendido: hasta 64 VA (45 W)
Número de revoluciones nominales: 35 VA (18 W)
Funcionamiento estable: 6 VA (3 W)
Salidas:
Voltaje: 3x150 V
Frecuencia nominal: 1200 Hz
Rango de frecuencia del voltaje de salida: 220-1250 Hz
MEDIDOR DE PRESIÓN DE VACÍO
COMBIVACCM31
LEYBOLD AG
EL COMBIVAC CM31 es un medidor universal de vacío, el cual combina dos
principios de medida: dos canales THERMOVAC y un canal PENNINGVAC para
sondeo y control de la presión de vacío dentro de un rango completo entre 1x10"9
mbar/Torry la presión atmosférica.
125
Datos técnicos:
Rango de medidas: 1x10"9 mbar hasta 1x103 mbar (1x10"9 Torr hasta 760 Torr)
Unidades de medida: mbar, Torr, Pa, Micron (seleccionable)
Tipo de gases: Aire, N2, Ar (seleccionable)
Voltaje de línea: 100 V, 120 V, 200 V, 230 V +10 % /-15 % (seleccionable)
Frecuencia de línea: 50 a 60 Hz
Consumo de potencia: 35 VA
APÉNDICE C
126
APÉNDICE C
ESPECIFICACIONES DE LOS ELEMENTOS ELECTRÓNICOS
En este apéndice se prensentan las hojas de especificaciones de los siguientes
elementos electrónicos, los cuales fueron usados en los experimentos:
BUZ334 equivalente al MTW8N60E Mosfet de potencia
NE555 Timer
HEF4013B Flip-flop
IR2111 Half-bridge driver
IRG4PH40KD Insulated gate bipolar transistor (IGBT)
En las hojas adjuntas se pueden ver las hojas de especificaciones de los
elementos citados anteriormente, en el mismo orden.
MOTOROLASEMICONDUCTOR TECHNICAL DATA
Order this document
by MTW8N60E/D
Designer's™ Data SheetTMOS E-FET™Power Field Efffect TransistorTO-247 with Isolated Mounting HoleN-Channel Enhancement-Mode Silicon Gate
This high volíage MOSFET uses an advanced íerminationscheme ío provide enhanced volíage-blocking capability withoutdegrading performance overtime. In addition, íhis advanced TMOSE-FET is designed ío withstand high energy in the avalancha andcommuíation modes. The new energy efficiení design also offers adrafn-ío-source diode wiíh a fasi recoven/ time. Designed for highvoltage, high speed swiíching applications in power supplies,converíers and PWM motor controls, íhese devices are particularlywell suiíed for bridge circuiís where diode speed and commutatingsafe operating áreas are critical and offer addiíional safeíy marginagainsi unexpecíed voltage transients.
• Robusí High Volíage Termination• Avalanche Energy Specified• Source-ío-Drain Diode RecoveryTime Comparable ío a
Discrete Fast Recoven/ Diode• Diode is Characterized for Use in Bridge Circuits• 'DBS ar>d VDS(on) Specified ai Elevated Temperaíure• Isolaíed Mouníing Hole Reduces Mouníing Hardware
MÁXIMUM RATINGS (Te = 25°C unless otherwise noted)
MTW8N60EMotorola Prefarred DBVÍCB
TMOS POWER FET8.0 AMPERES
600 VOLTS= 0.55 OHM
CASE340K-01,SíyIe1TO-247 A E
Ratíng
Drain-Source Voltage
Drain-Gate Voltage (Rgs = 1.0 MQ)
Gate-Source Volíage — Continuous— Non-Repetitive (tp < 1 0 ms}
Drain Current — Coníinuous— Continuous @ 100°C— Single Pulse (íp£ 10 jis)
Total Power DissipationDerate above 25°C
Operating and Storage Temperatura Ranga
Single Pulse Draln-to-Source Avalanche Energy — Starting Tj - 25°C(VDD - 100 Vdc, VQS = 10 Vdc, IL = 24 Apk, L = 3.0 mH, RG = 25 n)
Thermal Resistance — Juncíion ío Case— Junction to Ambient
Máximum Lead Temperatura for Soldering Purposes, 1/8" from case for 10 seconds
Symbol
VDSS
VDGR
VGSVGSM
IDID
IDM
PD
Tj.Tstg
EAS
RSJCRGJA
TL
Valué
600
600
±20±40
8.06.424
1801.43
-55to150
864
0.7040
260
Unit
Vdc
Vdc
VdcVpk
Adc
Apk
WattsW/°C
°C
mJ
°C/W
°cDesigner's Data for "Worst Case" Conditions—The Desfgner's Data Sheet permiís the design oí mostcircults entirely frorn the Information presented. SOALimitcurves — represenllng boundades on device characterlstlcs •— are given to facilítate "worst case~ design.
E-FET and Designer's are trademarks of Motorola, Inc. TMOS is a registered trademark of Motorola, Inc.
Preferred devices are Motorola recornmended cholees for future use and best overall valué.
/VTOTO/70JLA©Motorola, Inc. 1996
MTW8NGOE
ELECTRICAL CHARACTER1STICS (Tj = 25°C unless otherwise noted)
Cha ráete ri stíc Symbol Min Typ Max Unit
OFF CHARACTERISTICS
Drain-Source Breakdown Voltage(VGS = o vdc, ID = 250 fiAdc)Temperature Coefficiení (Posiíive)
Zero Gate Voltage Drain Current(VDS = 600 Vdc, VGS = 0 Vdc){VDS = 600 Vdc, VGS = 0 Vdc- TJ = "125°C)
Gaíe-Body Leakage Currení (VQS = ± 20 Vdc, VDS = °)
V(BR)DSS
IDSS
IGSS
600
—
—
695
—
—
—
10100
100
VdcmV/°C
jiAdc
nAdc
ON CHARACTERISTICS (1)
Gate Threshold Voltage(VDS = VGS, iD = 250nAdc)Temperature Coefficient (Negative)
Static Drain-Source On-Resistance {VGS = 10 Vdc, ID = 4.0 Adc)
Drain-Source On-Voltage (VGS = 1° Vdc)(ID = 8.0 Adc)(lD = 4.0Adc,Tj = 125°C)
Forward Transconductance {VDS ~ ̂ Vdc, 'D = 4.0 Adc)
vGS(íh)
RDS(on)
vDS(on)
9FS
2.0
_
—
4.0
3.07.0
0.46
3.2
8.5
4.0
0.55
4.84.6
—
VdcmV/°C
Ohm
Vdc
mhos
DYNAMIC CHARACTERISTICS
Input Capacitance
Output Capacitance
Reverse Transfer Capacitance
(VDS - 25 vdc, VGS ~ ° vdc,f=1.0MHz)
Cjss
CQSS
Crss
———
2480
247
56
3470
346
120
PF
SWITCHING CHARACTERISTICS (2)
Turn-On DelayTime
RiseTime
Turn-Off Deíay Time
Fall Time
Gaíe Charge(See Figure 8)
(VDD = 3°° Vdc. ID = s.o Adc,
(Vos = 300 Vdc, ID = S.O Adc,
td(on)
*r
td(off)
tf
QT
QIQ2
Q3
_————
———
23.6
37.6
80
48
67
17
26
27
50
70
170
95
100
—
—
—
ns
nC
SOURCE-DRAIN DIODE CHARACTERISTICS
Forward On-Voltage (1)
Reverse Recovery Time(See Figure 14)
Reverse Recovery Stored Charge
(IS = 8.0 Adc, VGS = 0 Vdc)(lS = 8.0 Adc, VGS = 0 Vdc, Tj = 125°C)
(IS = 8.0 Adc, VGS = 0 Vdc,dls/dt= 100 A/ns)
VSD
trr
ta
tb
QRR
I————
0.8290.71
381
225
156
4.61
1.1
—
—
—
—
Vdc
ns
nc
INTERNAL PACKAGE INDUCTANCE
Internal Drain Inductance(Measured from the drain lead 0.25" from package to center of die)
Interna! Source Inductance(Measured from the source lead 0.25" from package ío source bond pad)
LD
LS
—
—
4.5
13
—
—
nH
nH
(1) Pulse Test: Pulse Widíh £300 ^s, Duty Cycle £ 2%.(2) Swiíching characterisíics are independent of operaíing junction temperature.
Motorola TMOS Power MOSFET Transistor Device Data
TYP1CAL ELECTRiCAL CHARACTER1STICS
MTW8N60E
1 2 3 4 5 6 7 8 9
VDS, DRAIN-TO-SOURCE VOLTAGE (VOLTS}
Figure 1. On-Regíon Characterístics
ceZ3O
2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 5.6
VGS, GATE-TO-SOURCE VOLTAGE (VOLTS)
Figure 2. Transfer Characteristics
6.0
0.86
£2 0.76
g 0.66
ce
<:
0.56
0.46
0.36
-1 0.26
0.162 4 6 8 10 12
ID, DRAfN CURRENT (AMPS)
Figure 3. On-Resistance versus Drain Currentand Temperature
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
lDt DRAIN CURRENT (AMPS)
Figure 4. On-Resistance versus Drain Currentand Gate Voltage
*7P
2.4
2.0
1.6
1.2
0.8
0.4_,-I>"
iVGSID = 4
^f'
i= 10VA
^_,
^^
\s
0 -25 0 25 50
ss
75
j /
¿
tX
Ir->¿
100 125 150
Tj, JUNCTION TEMPERATURE (°C)
Figure 5. On-Resistance Variation withTemperature
10000
1000
100
10
1.0
0.1
^ VG S=OVI I I I
25°C
100 200 300 400 500
VDS, DRAIN-TO-SOURCE VOLTAGE (VOLTS)
Figure 6. Drain-To-Source LeakageCurrent versus Voltage
600
Motorola TMOS Power MOSFET Transistor Device Data
MTW8NGOE
POWER MOSFET SWITCHING
Swiíching behavior ¡s mosí easíly modeled and predicíedby recognizing that the power MOSFET is charge contrallad.The lengths oí various swítching intervals (At) are deter-mined by how fast íhe FET input capacitance can be chargedby current from íhe generator.
The published capacitance data is difficultto use for calculat-¡ng rise and fall because drain-gate capaciíance varíesgreaíly with applíed volíage. Accordingly, gate charge data isused. In most cases, a saíisfacíory estímate of average inputcurrent (lQ(AV)) can be rnade from a rudimentary analysis ofíhe drive circuit so that
t = Q/lo(AV)During the rise and falí time ¡nterval when swiíching a resis-íive load, VQS remains viríuaily consianí at a levei known asthe plaíeau voltage, VsGP- Therefore, rise and fall times maybe approximaied by íhe following:
tf = Q2where
VGG = the gaíe drive voltage, which varíes from zero ío VGG
RG - íhe gaíe drive resisíance
and Q2 and VGSP are read from the gate charge curve.
During the turn-on and turn-off delay times, gate current isnot constaní. The simplest calculation uses appropriaíe val-úes from the capacitance curves in a standard equaíion forvolíage change in an RC network. The equaíions are:
td(on) = RG Cjss In [VGG/(VGG - VGSP)3
The capacitance (C¡ss) is read from the capaciíance curve ata voltage corresponding ío the off-state condiíion when cal-culaíing t<j(0n) and is read at a voltage corresponding to theon-state when calculating td(0ff)«
At high switching speeds, parasiíic circuií elements com-plícate íhe analysis. The inducíance of íhe MOSFET sourcelead, inside íhe package and in the circuit wiring which iscommon ío boíh íhe drain and gate currení paths, produces avolíage ai the source which reduces the gaíe drive current.The volíage is deíermined by Ldi/dt, but since di/di is a fuñe-íion of drain current, the maíhematical solution is complex,The MOSFET outpuí capacitance also complicates themathematics. And finally, MOSFETs have finite iníernal gaíeresistance which effectively adds to the resistance of thedriving source, but íhe ¡níernal resistance is difficult to rnea-sure and, consequeníly, is not specified.
The resistíve switching íime variation versus gate resis-tance (Figure 9) shows how typical swiíching performance isaffecíed by the parasitic circuií elements. ]f íhe parasiticswere not presení, the slope of íhe curves would maintain avalué of unity regardless of the switching speed. The circuitused ío obíain the data is constructed ío minímize commoninducíance ¡n íhe drain and gaíe circuit loops and is believedreadily achievable with board mounted componenis. Mostpower elecíronic loads are inductive; the data ¡n íhe figure isíaken with a resistive load, which approximaíes an optimallysnubbed inducíive load. Power MOSFETs may be safely op-eraíed into an inducíive load; however, snubbing reducesswítching losses.
5 0 5-«— VGS -J- VDS —*-
GATE-TO-SOURCE OR DRA1N-TO-SOURCE VOLTAGE (VOLTS)
Figúrela. Capacitance Variation
10000
1000
100
E V G S =OV
10
Tj=25°C
10 100
VDSl DRAIN-TO-SOURCE VOLTAGE (VOLTS)
Figure 7b. High Voltage CapaciíanceVariation
1000
Motorola TMOS Power MOSFET Transistor Device Data
MTW8N60E
10 20 30 40 50
QG, TOTAL GATE CHARGE {nCJ
60
Figure 8. Gate—To—Source and Drain—To—SourceVoltage versus Total Charge
RG, GATE RESÍSTANOS (OHMS)
FigureQ. Resistive Switching TimeVariation versus Gate Resistance
DRAIN-TO-SOURCE DIODE CHARACTERISTICS
-a 6
R 4
". 2
O
Tj = 25DC
0.50 0.54 0.58 0.62 0.66 0.70 0.74 0.78 0.82 0.86
VSD, SOURCE-TO-DRAIN VOLTAGE (VOLTS)
Figure 10. Diode Forward Voltage versus Current
SAFE OPERATING ÁREA
The Forward Biased Safe Operating Área curves defineíhe máximum simuítaneous drain-to-source voltage anddrain current that a transistor can handle safely when ií is for-ward biased. Curves are based upon máximum peak junc-tion íemperature and a case temperatura (Te) of 25°C. Peakrepeíítive pulsed power limits are determined by using íheíhermal response data in conjunction with íhe proceduresdiscussed in AN569, "TransieníThermal Resistance-GeneralData and lis Use."
Switching between the off-síaíe and the on-staíe may tra-verse any load line provided neither raíed peak current (IDM)ñor raíed volíage (Voss) ¡s exceeded and íhe íransition time(tr,tf) do noí exceed 10 jas. In addition íhe total power aver-aged over a complete swiíching cycle must not exceed(Tj(MAX)-Tc)/(R0JC).
A Power MOSFET designated E-FET can be safely usedin swiíching circuiís with unclamped inductive [oads. For relí-
abie operation, the stored energy from circuit inductance dis-sipated in the transistor while in avalanche must be less thanthe rated limit and adjusíed for operaíing condiíions differingfrom those specífied. Although industry practice is to raíe interms of energy, avalanche energy capability is not a con-staní. The energy raíing decreases non-linearly with an in-crease of peak currení ¡n avalanche and peak junctiontemperaíure
Alíhough many E-FETs can withstand íhe síress of drain-to-source avalanche at currents up ío rated pulsed curreníODM)> tne energy rating is specified ai rated coníinuous cur-rent (Irj), in accordance with indusiry custom. The energy rat-ing must be deraíed for temperaíure as shown ¡n theaccompanying graph (Figure 12). Máximum energy at cur-rents below rated coníinuous ID can safely be assumed íoequal the valúes indicaíed.
Moíorola TMOS Power MOSFET Transisíor Device Data
MTW8N60E
SAFE OPERATING ÁREA
RDS{on)LIMITTHERMAL L1MITPACKAGEL1MIT
1.0 10 100
VDS, DRAIN-TO-SOURCE VOLTAGE (VOLTS)
Figure 11. Máximum Rated Forward BíasedSafe Operating Área
1000
cerso —
LUÍÜ
800
700
600
500
400
300
200
100
025
SVs
sVsSSss
\
^ N s]^
"V,
I
ID = 8AI !
r>-j50 75 100 125 1í
Tj, STARTING JUNCTION TEMPERATURE (DC)
Figure 12. Máximum Avalancha Energy versusStarting Junction Temperature
D CURVES APPLY FOR POWER
PULSE TRAINSHOWN
READTIMEATt-]
0.00001 0.0001 0.001 0.01t, TIME (ms)
0.1
Figuré is . Thermal Response
"s—:
-TIME
Figure 14. Diode Reverse Recovery Waveform
Motorola TMOS Power MOSFEET Transistor Device Data
MTW8N60E
PACKAGEDIMENSIONS
I-Q-|-£|00.25{0.010)®|T| B ®
WH--i P i H •—i-
í
_1 L
NOTES:1. OIMENSIONING AND TOLERANCING PER ANSÍ
Y14.5M. 1982.2. CONTROLLING DIMENSIÓN: HILLIMETER.
DIMABC
DEFG
HJKLP0RUV
MIU.IMETERSMIN19.715.34.71.0
MAX20.315.95.31.4
1.27 REF2.0 1 2.4
5.5 BSC2.20.4
14.25.537
3.55
2.50.8
14.8JOM
4.33.S5
50NOU5.5 BSC
1NCHE5MIN
0.7760.5020.1850.039
0.05C0.079
0.2160.0870.0160.559
0.2170.1460.140
MAX0.7990.6260.2090.055
REF0.094
BSC0.1020.0310.583
NOM0.1690.144
0.197 NOM0.217 BSC
30 1 3.4 | 0.118 0.134
CASE340K-01ISSUEO
STYLS 1:PIN 1. GATH
2. DRAIN3. SOURCE4. DRAIN
Motorola TMOS Power MOSFET Transistor Device Data
SEMICONDUCTOR55 www.fairchildsemi.com
LM555/NE555/SA555Single Timer
Features• High Current Orive Capability (200mA)• Adjusíable Duty Cycle• Temperature Stability of 0.005%/°C• Timing From u.Sec To Hours• Turn Off Time Less Than 2^Sec
Applications• Precisión Timing• Pulse Generation• Time Delay GeneraHon• Sequential Timing
DescriptionLM555/NE555/SA555 is a highly stable controller capableof producing accurate timing pulses. With monostabie oper-atíon, íhe time delay is controlled by one extemal resistorand one capacitor. With astable operation, thefrequency and duty cycle are accuraíeiy controlied with twoexternal resistors and one capacitor.
8-SOP
Internal Block Diagram
GND ( i
Trigger (2
Output(3
Reset (4
s)Vcc
(7)Discharge
4-WThreshold
ControlVoltaje
Rev. 1.0.1
©2001 Fairchild Semiconductor Corporation
LM555/NE555/SA555
Absolute Máximum Ratings (TA = 25°C)
Parameter
Supply Volíage
Lead Temperatura (soldering 10sec)
Power Díssipation
Operating Temperature RangeLM555/NE555SA555
Storage Temperaíure Range
Symbol
VCGTLEAD
PD
TOPR
TSTG
Valué
16
300
600
0-+70-40 - +85
- 6 5 ~ + 150
UnitV
°cmW
°C
°c
LM555/NE555/SA555
Eléctrica! Characteristics(TA = 25°C, Vcc = 5 ~ 15V, uníess otherwise specified)
Parameter
Supply Voltage
Supply Current *1(low stable)
Timing Error *2 (Monostable)Initial Accuracy
Drift wiíh TemperaturaDrift with Supply Voltage
Timing Error *2(astable)Intial Accuracy
Drift with TemperatureDrift wüh Supply Volíage
Control Voltage
Threshold Voltage
Threshold Current *3
Trigger Voltage
Trigger Current
Reset Voliage
Reset Current
Low Output Voltage
Hi'gn Ouíput Voltage
Rise Time of Output
FalITime of Output
Discharge Leakage Current
Symbol
VccIce
ACCURAt/AT
At/AVcc
ACCURAt/AT
At/AVcc
vc
VTH
ITH
VTR
ITRVRSTIRST
VOL
VOH
tR
tF
ILKG
Conditions
Vcc = sv, RL = ~Vcc = l5V, RL = ~
RA = iKntoiooKnC = 0.1nF
RA = 1Knto100KQC = 0.1(iF
Vcc = 15V
Vcc = 5V
Vcc = 15V
Vcc = 5V
-
VCC = 5V
Vcc = 15V
VTR - ov
--
VCC = 15VISINK = 10mAISINK = 50mA
Vcc = 5VISINK = 5mAVCC = 15V[SOURCE = 200mAÍSOURCE = 100mA
Vcc = 5VISOURCE = 1üOmA
---
Min.
4.5
-
-
-
-
9.0
2.6
-
-
-
1.1
4.5
0.4
-
-
12.75
2.75
-
-
-
Typ.
-
3
7.5
1.0500.1
2.251500.3
10.0
3.33
10.0
3.33
0.1
1.67
5
0.01
0.7
0.1
0.060.3
0.05
12.513.3
3.3
100
100
20
Max.
16
6
15
3.0
0.5
-
11.0
4.0
-
-
0.25
. 2.2
5.6
2.0
1.0
0.4
0.250.75
0.35
-
-
-
-
100
Unit
V
mA
mA
°//o
ppm/°C%/v
%ppm/°C
%/V
V
V
V
V
PA
V
V
uA
V
mA
VV
V
VV
V
ns
ns
nA
Notes:1. Supply current when outpuí is high is typícally 1mA less at Vcc = 5V2. Tested at Vcc = 5.0V and Vcc = 15V3. This will determine máximum valué of RA + RB for 15V operation, the max. total R = 20MH, and for 5V operation the max.
total R = 6.7MQ
LM555/NE555/SA555
Application InformationTable 1 below is the basic operaíing table of 555 timer:
Table 1. Basic Operating Table
Threshold Voltage(Vth)(PIN 6}Don't care
Vth > 2Vcc / 3Vcc / 3 < Vth < 2 Vcc / 3
Vth < Vcc / 3
Trigger Voltage(Vtr)(PIN 2)Don't care
Vth > 2Vcc / 3Vcc / 3 < Vth < 2 Vcc / 3
Vth < Vcc / 3
Reset(PIN 4)
Low
HighHighHigh
Output(PIN 3)
LowLow
-High
Discharging Tr.(PIN 7)
ONON
-OFF
When low signa! input is applied to the reseí terminal, the timer output remains low regardless of the threshold voltage or íhetrigger voitage. Only when high sígnal is applied to the reset terminal, timer's output changes accordíng to threshold volíageand trigger voltage.When thc threshold voltage cxceeds 2/3 of the supply volíage while the timer output is high, the timer's internal discharge Tr.turns on, lowering the threshoid voltage to below I/3 of the supply voltage. During this time, the timer output is maimainedlow. Later, if a low signal is applied to íhe írigger voltage so that ií bccomes 1/3 of the supply voltage, íhe íirner's internaldischarge Tr. turas ofT, incrcasing the threshold voitage and driving the timer output again at high.
1. Monostable Operation
•fVcc _
Trigger
Figure 1. Monoatable Circuit
Time Delayli)
Figure 2. Resistance and Capacitance vs.Time deíay(td)
Oulpul
RA=9.1kCX RL-IUO. CÍ-O.OIuF, Vcc-SV
Figure 3. Waveforms of Monostable Operation
LM555/NE555/SA555
Figure 1 illusírates a monostable circuit. In this mode, the timer generales a fíxed pulse whenever the trigger voltage fallsbelow Vcc/3.
When the trigger pulse voitage applied to íhe #2 pin falis below Vcc/3 while the timer output is low, the timer's internalflip-flop íurns the discharging Tr. off and causes íhe íimer output to become high by charging íhe external capacitor Clandsetting the flip-flop output at the same time.The voltage across íhe exíemal capaciior Cl, Vci mercases exponentially wiíh the time constant í=RA*C and reaches 2Vcc/3atíd=l.lRA*C. Henee, capacitor Cl is charged íhrough resistorRA. The greater the time constaní RAC, íhe longer it íakesfor the VGÍ to reach 2Vcc/3. In oíher words, the time constant RAC conírols the ouíput pulse width.
When the applied volíage ío the capacitor Cl reaches 2Vcc/3, the comparator on the trigger terminal resets the flip-flop,turning the discharging Tr. on. At íhis time, Cl begins to discharge and the íimer ouíput converts to low.In this way, íhe timer operating in monosíable repeats íhe above process. Figure 2 shows the íime constaní relaíionship basedon RA and C. Figure 3 shows the general waveforms during monostable operation.H must be noted íhat, for normal operaíion, the trigger puise voltage needs to mainíain a minimum of Vcc/3 before the timeroutput turns low. That is, although íhe output remains unaffected even ¡f adifferent trigger pulse is applied while the output ishigh, it may be affccted and the waveform not opérate properly if the trigger pulse voltage at the end of the ouíput pulseremains at below Vcc/3. Figure 4 shows such timer output abnormality.
1VAÍlv.«llu./Jlv
RA=9.1kQ, RL=lk£2, OI=l).OluF. Vcc=5V
Figure 4. Waveforms of Monostable Operation (abnormal)
2. Astable Operation
•KVcc
Figure 5. Astable Circuit Figure 6. Capacítanos and Resistance vs. Frequency
LM555/NE555/SA555
lV/(Hr.50ms/dlv
RA=lkQ, Rj= , Cl=luF, Vcc-SV
Figure 7. Waveforms of Astable Operation
An astable timer operation is achieved by adding resistor RB to Figure 1 and configuring as shown on Figure 5. In astableoperation, the trigger termina! and the threshold terminal are connected so that a self-írigger is formed, operating as a multivibrator. When the timer outpuí is high, ¡ts internal dischargmg Tr. turns offand the Vci increases by exponentialfiínction with the time consíant (RA+Rs)*C.When íhe Vci , or the threshold voltage, reaches 2Vcc/3, íhe comparator output on the trigger terminal becomes high,resetting the F/F and causing the timer output to become low. This in turn turns on the discharging Tr. and the Cl dischargesíhrough the discharging channel formed by RB and the discharging Tr. When the Ve! falls below Vcc/3, the comparatoroutput on the trigger terminal becomes high and íhe íimer output becomes high again. The discharging Tr. turns offand theVe I rises again.In the above process, the section where the timer output is high is the time ií takes for the Vci to rise from Vcc/3 to 2Vcc/3,•and íhe section where the timerouíput is low is the time ií íakes forthe Ve 1 to drop from2Vcc/3 to Vcc/3. When timer outpuíis high, the equivalen! circuit for charging capacitor Cl is as follows:
Vcc* Cl =r= Vcl(0-)=Vcc/3
dv , V -V(O-)"d vcc
dt
'C1 ce'
(1)
VP1(0+) = Vrr/3 (2)
Since the duration of íhe íimer output high state(íH) is the amount of time it takes for the Vci(í) to reach 2Vcc/3,
LM555/NE555/SA555
'H h
t¡_¡ =
(4)
(5)
The equivalent circuit for discharging capacitor Cl when timer output is low as foliows:
vc1m-±vCC
(7)
Since thedurat ion ofthe timer output low state(tL) is the amount of time ittakes for the Vci(t) to reach Vcc/3,
[L
|vcc = |v e A* D (8)
*-Rn)C-i (9)
Since RD is normaliy RB»RD aithough reiated to the size of discharging Tr.,ÍL=0.693RsCj " (10)
Consequently, if the timer operates in astabie, the period is the same with'T=tH+tL=:0.693CRA+RB)Ci4-0.693RBCi=0.693(RA+2RB)Ci' because íhe period is íhe sum ofthe charge time and dischargetime. And since frequency is the reciprocal ofthe penod, the following applies.
f requency, f = - = 1.44 (11)
3. Frequency dividerBy adjusting the length ofthe timíng cycle, the basic circuit of Figure 1 can be made to opérate as a frequency divider. Figure8. illustrates a divide-by-three circuit that makes use ofthe fact that retriggering cannot occur during the timing cycle.
LM555/NE555/SA555
Trigecr
Output
RA=9.1kO, RL=lkfl, Cl=0.01uF, Vcc=5V
Figure 8. Waveforms of Frequency Dívider Operation
4. Pulse Width Modulation
The timer ouíput waveform may be changed by modulating the control voltage applied ío the timer's pin 5 and changing thereference of the timer's interna! comparators. Figure 9. illustraíes the puise width modulaíion circuit.When the continuous trigger pulse train is applied in the monostable mode, the timer output width is modulated according tothe signal applied to the control terminal. Sinc wave as well as other waveforms may be applied as a signal to the controlterminal. Figure 10 shows an exampíe of pulse width modulation waveform.
+Vcc
RA=9.1kO, RL= =U.UluF, Vcc-5V
Figure 9. Circuit for Pulse Width Modulation Figure 10. Waveforms of Pulse Width Modulation
5. Pulse Position ModulationIf the modulaíing signa! is appiied to the control terminal while the timer is connected for astable operation as in Figure U, theíimerbecomes a pulse posiíion modulator.In the pulse position modulator, íhe reference of the timer's intemal comparators is modulated which in turn moduiates íhetimer output according to the modulation signa! appiied ío the control terminal.Figure 12 iliusíraíes a sine wave for modulation signal and the resulíing ouíput pulse position modulation : however, any waveshape could be used.
LM555/NE555/SA555
+Vcc
.9kn, RD=lkO. Ru=lkn, Cl=0.01uF, Vcc=5V
Figure 11. Circuit for Pulse Positíon Modulation Figure 12. Waveforms of pulse positíon modulation
6. Linear RampWhen the pull-up resistor RA in íhe monosíable circuit shown in Figure I is replaced with constan! currení source, íhe Vciincreases íinearly, generating a linear ramp. Figure 13 shows the linear ramp generating circuit and Figure 14 illustrates thegeneraíed linear ramp waveforms.
+Vcc
lVAIÍv.2fui/div
Output
Figure 13. Circuit for Linear Ramp
Rl=47k£2, R2=100k£Í RE=2.7k£2, RL=lkO, Cl=0.01uF, Vcc=5V
Figure 14. Waveforms of Linear Ramp
In Figure 13, current source is created by PNP transistor Ql and resistor Rl, R2, and RE.
VCC-VE
Here,VE.s
(13)
For example, if Vcc=15V, RE=20kO, Rl=5k\V, R2=10kH, and VBE=0.7V,VE=0.7V+10V=10.7VIc=(15-10.7)/20k=0.215mA
LM555/NE555/SA555
When the trigger is started ín a timer conñgured as shown in Figure 13, the current flowing to capacitor Cl becomes a constantcurrení generated by PNP transistor and resisíors.Henee, the Ve is a linear ramp funcíion as shown in Figure 14. The gradiení S of the linear ramp function is defined asfollows:
S = ^Ep£ (14)
Here the Vp-p is the peak-to-peak voltage.If the electric charge amount accumulated in the capacitor is divided by íhe capacitance, the Ve comes ouí as follows:
V=Q/C (15)
The above equation divided on both sides by T gives us
v . Q/I (16,
and may be simplified into the following equation.
S=I/C (17)
Jn other words, the gradíent of the linear ramp function appearing across the capacitor can be obtained by using the constantcurrent flowing through the capacitor.If the consíant current flow íhrough the capacitor is 0.215mA and íhe capacitance is 0.02uF, the gradient of the ramp functionat both ends of the capacitor is S=0.215m/0.022u=9.77V/ms.
10
n r
n n
n
u
~D Q)
O (Q CU
CD O 3"
OJ o EL D 3'
(D O 3
9.6Q
0.37
8M
AX
9.20
±0
.20
0.36
2 ±0
.008
00 i D "U
0.7
9
0.03
1
0.4
6 ±
0.10
0.01
8 ±0
.004
1.52
4 ±
0.10
0.0
60
±0.0
04
z: m
LM555/NE555/SA555
Mechanical Dimensions
Package
8-SOP
MIN1.55 ±0.20
0.061 ±0.008
_0.004-0.001
oo
12
LM555/NE555/SA555
Ordering Information
Product Number
LM555CN
LM555CM
Product Number
NE555N
NE555D
Product Number
SA555
SA555D
Package
8-DIP
8-SOP
Package
8-DIP
8-SOP
Package
8-DIP
8-SOP
Operating Temperatura
n ~ -f7n°r
Operating Ternperature
n -4-70°p
Operating Temperature
_40 - +85°C
13
Philips Semiconductors Product specification
Dual D-type füp-flopHEF4013B
flip-flops
DESCRIPTION
The HEF4013B is a dual D-type flip-flop which featuresindependent set direcíJSD), clear direct (CD), clock inputs(CP) and ouipuís (O, O). Data is accepted when CP isLOW and íransferred to the ouíput on íhe positive-goingedge of the clock. The active HIGH asynchronousclear-dírect (CD) and set-dírect (SD) are independent andoverride the D or CP inputs. The outpuís are buffered forbesí sysíem performance. Schmitt-írigger action in íheciock input makes the circuií híghly tolerant to slower clockrise and fall íimes.
FUNCTIONTABLES
6
5
3
4
8
. 9
11
10
SD1D1 01
CP-, FF
01
CD1
SD2D2 02
CP2 FF
o2
CD2
1
2
13
12
7Z69524.1
Fig.1 Functional diagram.
JÍ¿LJÍ3l
VOD 02
D
0, 0,¡1 | | 2|
Fig
BJI r^j^02 CP2 CD2
HEF4013B
CP, C0) 0,
"hn^j isJ
JiUTLD2 SD2
SDI vss1 efl 7 1
7ZS9/.31
2 Pinning diagram.
INPUTS
SD
H
L
H
CD
L
H
H
CP
X
X
X
D
X
X
X
OUTPUTS
O
H
L
H
O
L
H
H
INPUTS
SD
L
L
CD
L
L
CP
_/~
_r
D
L
H
OUTPUTS
On + 1
L
H
On + 1
H
L
Notes
1. H = HIGH state (íhe more posiíive voltage)L = LOW staíe (the less posiíive voltage)X = síate is immaterial
_/ = positive-going íransiíionOn + 1 = state after clock positive transition
PINNING
D
CP
SD
CD
O
O
daía inputs
clock input (L to H edge-triggered)
asynchronous set-direcí input (active HIGH)
asynchronous clear-direcí inpuí (acíive HIGH)
true output
complement outpuí
HEF4013BP(N): 14-lead DIL; plástic
(SOT27-1)
HEF4013BD(F): 14-lead DIL; ceramic (cerdip)
(SOT73)
HEF4013BT(D): 14-lead SO; plástic
(SOT108-1)
(): Package Designaíor North America
FAMILY DATA, IDD LIMITS category FLIP-FLOPS
See Family Specificaíions
January 1995
CD
CO Oí
o-
C:F
Fig.
3
Logi
c di
agra
rn (
one fl
ip-flo
p).
D c Cu D r-t-
"O CD ' — h
"5" i
1 — h
O "D
~j~
-h r
n~
~n
"D
_(X
: — h
C
^
o" rt
^ r
o
~D 2".
•5'
Ui w CD 3 o' o 0. c 2. o w TD O o. c & M "D CD O.
O o'
Philips Semiconductors Product specification
Dual D-type flip-flop HEF4013Bflip-flops
AC CHARACTERISTICS
Vss = O V; Tamb = 25 °C; CL = 50 pF; input transition times < 20 ns
Propagation delays
CP-»O, O
HIGH to LOW
LOWtoHIGH
SD-»O
HiGH to LOW
SD^0
LOW to HIGH
CD->0
H1GH io LOW
CD^0
LOWtoHIGH
Output transition times
HIGH to LOW
LOW ío HIGH
VDDV
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
SYMBOL
ÍPHL
tpLH
tpHL
*PLH
tpHL
tpLH
ÍTHL
ÍTLH
MIN. TYP. MAX.
110 220 ns
45 90 ns
30 60 ns
95 190 ns
40 80 ns
30 60 ns
100 200 ns
40 80 ns
30 60 ns
75 150 ns
35 70 ns
25 50 ns
100 200 ns
40 80 ns
30 60 ns
60 120 ns
30 60 ns
20 40 ns
60 120 ns
30 60 ns
20 40 ns
60 120 ns
30 60 ns
. 20 40 ns
TYPICAL EXTRAPOLATIONFORMULA
83 ns + (0,55 ns/pF) CL
34 ns + (0,23 ns/pF) CL
22 ns + (0,16ns/pF) CL
68 ns + (0,55 ns/pF) CL
29 ns + (0,23 ns/pF) CL
22 ns •+ (0,16ns/pF) CL
73 ns + (0,55 ns/pF) CL
29 ns -i- (0,23 ns/pF) CL
22 ns -r (0,16ns/pF) CL
48 ns + (0,55 ns/pF) CL
24 ns -i- (0,23 ns/pF) CL
17 ns -f (0,16ns/pF)CL
73 ns + (0,55 ns/pF) CL
29 ns -f (0,23 ns/pF) CL
22 ns -i- (0,16ns/pF) CL
33 ns + (0,55 ns/pF) CL
19ns + (0,23 ns/pF) CL
12ns + (0,16ns/pF) CL
10ns + (1,Ons/pF)CL
9 ns + (0,42 ns/pF) CL
6 ns + (0,28 ns/pF) CL
10 ns + (1,Ons/pF)CL
9 ns + (0,42 ns/pF) CL
6 ns -f- (0,28 ns/pF) CL
January 1995
Philips Semiconductors Product specification
Dual D-typeflip-flopHEF4013B
flip-flops
AC CHARACTERISTI CS
Vss = O V; Tamb = 25 °C; CL = 50 pF; input íransiíion times < 20 ns
Set-up time
D->CP
Hold time
D->CP
Mínimum clock
pulse width; LOW
Mínimum SD pulse
width; HIGH
Mínimum CD pulse
width; HIGH
Recovery time
forSD
Recovery time
forCD
Máximum clock
pulse frequency
VDD
• V
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
SYMBOL
ísu
thold
twCPL
V/SDH
twCDH
ÍRSD'
ÍRCD
Imax
MIN. TYP. MAX.
40 20 ns
25 10 ns
1 5 5 n s
20 0 ns
20 0 ns
15 0 ns
60 30 ns
30 15 ns
20 10 ns
50 25 ns
24 12 ns
20 10 ns
50 25 ns
24 12 ns
20 10 ns
1 5 - 5 n s
15 0 ns
15 0 ns
40 25 ns
25 1 0 ns
25 10 ns
7 14 MHz
14 28 MHz
20 40 MHz
see also waveformsFigs 4 and 5
Dynamíc power
dissípation per
package (P)
VDD
V
5
10
15
TYPICAL FORMULA FOR P (jlW)
850fi-f!(f0CL)xVDD2
3600f i + Z{f0CL)xVD D2
9000f|-t-I(f0CL)xVDD2
where
f¡ = ínputfreq. (MHz)
f0 = outputfreq. (MHz)
CL = total load cap. (pF)
£ (fo^ú - sum of outputs
VDD = supply voltage (V)
January 1995
Philips Serniconducíors Product specification
Dual D-type flip-flop HEF4013Bflip-flops
CP INPUT
D INPUT
Fig.4 Waveforms showing seí-up times, hold times and mínimum clock pulse width. Set-up and hold times areshown as positive valúes but may be specified as negative valúes. .
SD INPUT f 50%
•'WSOH
CD INPUT
LRSD
50%
:WCDH-
CP INPUT - 5 0 %
'RCD
O OUTPUT
Fig.5 Waveforms showing recoven/ times for SD and CD; mínimum SD and CD pulse widths.
January 1995
Philips Semiconductors Producí specificaíion
Dual D-type flip-flopHEF4013B
flip-flops
APPLICATION INFORMATION
Some examples of applications forthe HEF4013B are;
• Counters/dividers
• Regisíers
• Toggle flip-flops
D 0
CP FFLP 1
0 -
D 0FF
CP 2
Ó
_ __» — D 0
CP FFur n
Ü
— ,0
ClUt-r- 7Z82332
Fig.6 Typical applicaíion of íhe HEF4013B in an n-stage shift register.
clock
D O
CP FF
D O
_ ceC P
2
D O
CP FF
7282333
T-type flip-flop
Fig.7 Typical applícation of íhe HEF4013B ¡n a bínary ripple up-counter; dívide-by-2n.
0
-̂<
D O
C P ^
0
n^
D 0
CP F/
0 -
r^~^
D 0
CPFnF
O
*• u
^ 1 ^ i7282334
Fig.8 Typical application of the HEF4013B ¡n a modified ring counier; d¡v¡de-by-(n + 1),
January 1995
nternationa Preliminary Data Sheet No. PD60028J
IQR ier IR2111
Features• Floating channel designed for booístrap operation
Fully operational to *600VTolerant to negative íransiení voltagedV/dt immune
• Gate drive supply range (rom 10 ío 20V• Undervoltage lockout for both channels• CMOS Schmití-triggered inputs with pull-down• Matched propagation delay for both channels• Internally set deadtime• High side output in phase with input
DescriptionThe IR2111 is a high voltage, high speed powerMOSFET and IGBT driver with dependen! high andiow side referenced output channels designed forhalf-bridge applícations. Proprietary HVIC andlatch immune CMOS technologies enable rugge-dized monolithic construcíion. Logic input ¡scompatible with standard CMOS outputs. The out-put drivers feature a high pulse currení buffer stagedesigned for minimum driver cross-conduction.Internal deadtime is provided to avoid shoot-through in the output half-bridge. The floatingchannel can be used to drive an N-channel powerMOSFET or IGBT in the high side configuraronwhich operates up to 600 volts.
Typical Connection
HALF-BRIDGE DRIVERProduct Summary
VOFFSET 600V max.
lo+/- 200 mA/420 mA
VOUT 10-20V
ton/off (typ.) 850 & 150 ns
Deadtime (typ.) 700 ns
Packages
8 Lead PDIP
8 Lead SOIC
IN o-
-w-up to 600V
bn-if-1-
, TOLOAD
IR2111 InfernationaliQRRecíifier
i™?
Absolute Máximum RatingsAbsoluíe máximum ratings indícate sustained limits beyond which damage to the device may occur. All voltage param-eters are absolute voltages referenced to COM.The therrnal resistance and power dissipation ratings are measuredunder board mounted and still air conditions. Additional information is shown ¡n figures 7 through 10.
Symbol
VB
VS
VHO
Vcc
VLOVIN
dVs/dí
PD
RthjA
Tj
TS
TL
Definition
High side floaíing supply voítage
High side floating supply offset voítage
High side floating output voítage
Low side and logic fíxed supply voítage
Low side output voltage
Logic ¡nput voltage
Allowable offset supply voltage transient (figure 2}
Package power dissipation @ TA < +25°C (8 Lead DIP)
(8 lead SOIC)
Therrnal resistance. junction to ambient (8 lead DIP)
(8 lead SOIC)
Junction temperature
Storage temperature
Lead temperature (soldering. 10 seconds)
Min.-0.3
V B -25
VS - 0.3
-0.3
-0.3
-0.3
—
—
—
—
—
—
-55
—
Max.
625
VB -i- 0.3
VB + 0.3
25
Vcc + 0.3
Vcc + 0.3
50
1.0
0.625
125
200
150
150
300
Units
V
V/ns
W
°C/W
°C
* ->¿i
'•*»
Recommended Operating ConditionsThe ¡nput/output logic tirning diagram ¡s shown ¡n figure 1. For proper operation íhe device should be used within therecommended condiuons. The Vs offset rating ¡s tested wiíh all supplies bíased at 15V differentiai.
Symbol
VB
VS
VHO
Vcc
VLO
VINTA
Definition
High side fioating supply absoluíe voltage
High side floating supply offset voltage
High side floating ouíput voltage
Low side and logic fixed supply volíage
Low side output voltage
Logic ¡nput voltage
Ambient temperaíure
Min.
Vs + 10
Note 1
vs
10
0
0
-40
Max.Vs + 20
600
VB
20
VccVcc125
Units
V
°c
Note 1: Logic operational for Vs of -5 to +600V. Logic staíe held for Vs of -5V to -Ves.
InternafionallORReclifier 1R2111
Dynamic Electrical CharacteristicsVBIAS (VCG. VBS) = 15V« CL = 100° pF andTA = 25°C unless other\v¡se specified.The dynamic eléctrica! characteristicsare measured usíng the íest circuit shown in figure 3.
Symbol
'on
'off
ir
tfDT
MT
DefinitionTurn-on propagation delay
Turn-off propagation delay
Turn-on ríse time
Turn-off fall time
Deadtime, LS turn-off to HS turn-on &
HS turn-off to LS turn-on
Delay matchíng, HS & LS turn-on/off
Min.—
—
—
—
—
—
TyP.850
150
80
40
700
30
Max.1,000
180
130
65
900
—
Units
ns
Test ConditíonsVs = OV
Vs = 600V
Static Eléctrica! CharacteristicsVBIAS (VCG. VBS) - 15V and TA = 25°C unless otherwise specífied. The VIN. V7H and IIN parameters are referenced toCOM.The VQ and IQ parameters are referenced to COM and are applicable to the respective output leads: HO or LO.
Symbol
V]H
VIL
VOHVOLILK
loesIQCC
IIN+
IIN-VBSUV+
VBSUV-
VGCUV+
VCGUV-
lo+
lo-
DefinitíonLogic "1 " ¡npuí voltage for HO & logic "0" for LO
Logic "0" input voltage for HO & logic Tfor LO
High level output volíage, VBIAS - Vo
Low level output voltage, VQ
Offset supply leakage current
Quiescent VBS supply current
Quiescent VCG supply current
Logic "1" input bias current
Logic "0" input bias current
VBS suPP'y undervoltage positíve goíng threshold
VBS suPP'y undervoltage negative going threshold
VCG supply undervoltage positive going threshold
VCG supply undervoltage negative going threshold
Outpuí high short circuit pulsed currení
Ouíput low short circuit pulsed current
Min.6.4
9.5
12.6
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
7.3
7.0
7.6
7.2
200
420
Typ.—
—
—
—
—
——
—
—50
70
20
—
8.4
8.1
8.6
8.2
250
500
Max.—
—
_
3.8
6.0
8.3
100
100
50
100
180
40
1.0
9.5
9.2
9.6
9.2
— •
—
Units
V
mV
uA
V
mA
Test ConditionsVCG = iovVCC = 15V
VCG - 2ovvcc = iovVCC = 15V
VCG = 2ovIO = OA
IO = OA
VB = vs = eoov
V|N = ov or VCG
V|N = OVorVCc
VIN = VCGVIM = ov
VO = OV,VIN = VCCpwá 10 us
V0 = 15V,V1N = OV
PW £ 10 us
IR2111
Functional Block Diagram
InfernationoliQRRecíifier
Lead Definitions
Symbo!
IN
VBHO
vs
VCGLO
COM
Description
Logic input for h¡gh side and low side gate driver ouíputs (HO & LO), in phase with HO
High side fioaíing supply
High side gaíe drive output
High side floating supply return
Low side and logic fixed supply
Low side gate drive output
Low side reíurn
Lead Assignments
LL[Id[Z
VCG VB
)N HO
COM Vs
LO
'~8 ]
3
"s~'|
3
8 Lead DIP
IR2111
ELEd[I
VGC vs
IN HO
COM Vs
LO
3
Zlrn3
8 Lead SOIC
IR2111SPart Number
InternationaliQRRectifier
IN
HO
LO
Figure 1. Input/OutputTiming Diagram
IR2111
W =10toSOOV
Figure 2. Fíoating Supply VoltageTransiení Test Circuit
(OtDSOQV)
Figure 3. Switching Time Test Circuit
IN' 50% 50%
HO
LO
Figure 5. Deadtime Waveform Definitions
!N(LO)N
INfHO);
Inn
LOHO
50%
• 90% 90%-r
10%-
Figure 4. Switchíng Time Waveform Definitíon
Figure 6. Deíay Maíchíng Waveform Definítíons
IR2111
T3~trd b=d td'1.77 (.070] . 1 I1.15 [.045] "~* +*•
13H0.25 t.OlO]tB)|c|B®|A®|
InfernationaliQRRecfifier
NOTES:1. DlVENSIQNlNG & TOLERANONG PER ANSÍ YK5M-1982.2. CONTROLUNG DlMENSIO :̂ IHCH.3. DlMENSIONS ARE SHOW IN VlLLlWETCRS [iNCHES].
4. CXJTLlNE CONFORTS TO JEDEC OUTUNE WS-OQlAB.
[5] WEASUREO ftm THE LEAOS CONSTRAINED TO BEPERPENDICULAR TO DAíuW PLAÑE C.
[ffj DIVERSIÓN DOES NOT iNauDE WOLD PROTUSIONS. MaoPROTUSIONS SHALL NOT EXCEED 0.25 [.OlO].
aseí [.oís]0.204 [.008]
8 Lead PDIP 01-3003 01
0 , , REXOWEHOED FOOTPRlUf
prn ta. H H H H 7f
re, 1 a 7 & 5 i i,^E H j ]
I - A - ! ^ |«- |025[.OIO]®|A©| | |
I G.46 [¿551 ¡1 N 14 lü M i i
I ' i V ' " ' 1| e H-̂ J— * 1 "Ij
6X 1 -P3X 1.27 [.050]— *• -
-j-r-CID K
1 ! y -, ^/
, rüriLÍip£Lt A W1 —I-C-I || ' l j 1 010.10 E.D04]| ' | | ^ L
. ! 1 • 8X B Al ^
1-^(0.25 |.010](gHc|A©|B®|
NOTES:
1. DlWENSIONlNG ¿c TOLERANClNG PER ANSÍ YU.5W-J982.
Z CONTROLLlHG DIMENSIÓN: MlLLlMETER.
3. DlMENSIONS ARE SHO^ IN MlLLlMETERS [iNCHESl
8 Lead
8X 0.72 [.028]
l.h 1j i i i
1 1! ! f- 3X 1,73 [.070]
1 1] 15
— \U
AAl
B
C
D
E
ee!H
K
L
y
UK.0532.0040.01-4
.0075,189
.¡50
UAX
.0688
.0098
.016
,0098.156
,157
.050 BASC,025 8ASK.22M
.011
.016
O"
J44Q,019
.050
y
K — 1UL'Í
1,35
alo0.35
ais4.80
1B1
LUx1,75
Q.2&
a46
O25
4,98
¿99
U7 BASC0.655 BASC5. 80
0.28
0.41
o-
SJ20Ü48
U7
sr
I^J .
4. OJTLINE CONFORMS TO JEDEC OUTllNE MS-012AA,
g] DIMENSIÓN OOES NOT iNCLUOE Mao PROTRUSIOHS.MOLD pROTRusio^s HOT TO EXCEED 0.25 [.ooe}
[e] DIMENSIÓN is THE LENGTH OF LEAD FORSOLDERlNG TO A SUBSTRATE.
^O'C 01-0021 08
InternationaliQRRecíifier
50 -
0 -
1E+2 iE+3
•i =f^
1E+4
Q~^L
I
1
/ \
ÁM
1E+5 1E
320
160
Frequency (Hz)
Figure 7. IR2111 Tj vs. Frequency (IRFBC20)
1E+2 IE+3 1E+4
Frequency (Hz)
Figure 9. IR2111 Tj vs. Frequency (IRFBC40)
1E+6
IR2111
150
J25
'100
75
50
25 -.
320V
1GOV
30V
1E+61E*2 IE+3 1E+4 1E+5
Frequency (Hz)
Figure 8. IR2111 Tj vs. Frequency (IRFBC30)
150
125
"100
75
50
25
320V 1 6 0 V 3 0 V
O
1E+2 1E*3 1E+4
Frequency (Hz)
Figure 10. IR2111 Tj vs. Frequency (1RFPC50)
1E+6
IR2111
320V
1E+2 !Er3 1Er4 1E*5 1E+6
Frequency (Hz)
Figure 11. IR2111STj vs. Frequency (IRFBC20)
320V 140V
2 1E*3 1EM 1E+5 1E^6
Frequency (Hz)
Figure 13. IR21l1STj vs. Frequency (IRFBC40)RGATE=15Q,Vcc = 15V
InternationaliQRRecfifier
1E+3 1E+4 1Er5 1E*6
Frequency (Hz)
Figure 12. [R2111STj vs. Frequency (IRFBC30)22í},Vcc = 15V
320V 140V30V
1E+2 1E+3
Frequency (Hz)
Figure 14. IR2111STj vs. Frequency (IRFPC50)
InternationaliQRRectifier
WORLD HEADQUARTERS: 233 Kansas St., El Segundo, California 90245 Tel: (310) 322 3331IR GREAT BRITAIN: Hursí Green, Oxted, Surrey RH8 9BB, UK Tel: ++ 44 1883 732020
IR CANADÁ: 15 Lincoln Court, Brampton, Ontario L6T 3Z2 Tel: (905) 453-2200IR GERMANY: Saalburgstrasse 157, 61350 Bad Homburg Tel: ++ 49 6172 96590
IRITALY: V¡a Liguria 49, 10071 Borgaro, Tormo Tel:++39 11 451 0111IR FAR EAST: K&H BIdg., 2F, 30-4 Nishi-Ikebukuro 3-Chome, Toshima-Ku. Tokyo, Japan 171 Tel: 81 3 3983 0086
IR SOUTHEAST ASIA: 1 Kim Seng Promenade, Great World City West Tower, 13-11, Singapore 237994 Tel: 65 838 4630IR TAIWAN: 16 Fl. Suííe D..207, Sec.2, Tun Haw South Road, Taipei, 10673, Taiwan Tel: 886-2-2377-9936
http://ivww.irf.com/ Data and specifications subject to changa wíthout notice. 3/1/99
InternationaiQRRectifier
PD- 915778
IRG4PH40KDINSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR WITHULTRAFAST SOFT RECOVERY DIODEFeatures• High shorl circuit ratíng optimized for motor control,ísc=10ps, VCc = 720V, Tj = 125°C,
Short Circuit RatedUltraFastlGBT
• Combines low conduction losses with highswitching speed
• Tighter parameíer disíribution and higher efíiciencythan previous generaiíons
• ÍGBTco-packagedwithHEXFRED™ ultrafast,ultrasoft recovery aníiparaiíel diodes
Benefits• Latesí generation 4 IGBT's offer highest power density
motor conírols possible• HEXFRED™ diodes optimizad for performance with IGBTs.Minimized recovery cha ráete ristics reduce noise, EMI andswüching losses
• This part replaces the IRGPH40KD2 and IRGPH40MD2producís
• For hints see design íip 97003Absoluta Máximum Ratings
n - c h a n n e l
VcE(on) typ. = 2.74V
TO-247AC
VCESlc © Tc = 25°Clc @ Tc= 100°CICMILMIF @ TC = 1000CIFMt«cVGHPD @ Te = 25°CP0 © TC = 100°CTjTSTG
ParameterCollector-lo-Em¡tter VollageContinuous Collector CurrentContinuous Collector CurrentPulsed Collecíor Curren! ©Clamped Inductive Load Current G>Diode Continuous Forward CurrentDiode Máximum Forward CurrentShort Circuit Withstand TimeGate-to-Emitter VoltageMáximum Power DíssipationMáximum Power DíssipationOperating Junction andStorage Temperatura RangeSoldering Temperature, for 10 sec.Mounting Torque, 6-32 or M3 Screw.
Max.1200301560608.0
130
10±20
160
65
-55 to+150
300 (0.063 in. (1.6mm) from case)10lbHn(1.l N-m)
UnitsV
A
US
V
W
°c
Thermal Resistance
RÍUCRUJCRecsROJAWt
ParameterJunction-to-Case - IGBTJunctíon-to-Case - DiodeCase-to-S¡nk, fíat, greased surfaceJunction-to-Ambient, typical socket mountWeight
Min.. — .
• — •• —
Typ.——0.24
6 (0.21)
Max.0.771.7
40
Units
°c/w
Q(oz)
www.irf.com2/7/2000
IRG4PH40KDEléctrica! Characteristics @ Tj = 25°C (unless otherwise specified)
InternationaliQRRectifier
VARICESAV(BR)CES/ATj
VcE(on)
VGEOI»AVGE(tn/ATj
Qíe
ICES
VFM
ICES
ParameterCollector-to-Emitter Breakdown Voltage®Temperature Coeff, of Breakdown VoltageCollector-to-Emitter Saturation Voltage
Gate Threshold VoltageTemperature Coeff. of Threshold VoltageForward Transconductance ©2ero Gate Voltage Collector Current
Diode Forward Voltage Drop
Gate-to-Emitter Leakage Current
Min.1200_
_
—
—3.0
—
8.0
——
—
—
—
Typ.—
0.372.743.292.53_
-3.312
——
2.6
2.4
—
Max._
—3.4
—
—6.0
—
—
250
30003.3
3.1
±100
UnitsV
v/°c
V
mV/°Cs
uA
V
nA
CondítionsVGE = OV, lc = 250uAVGE = OV, lc = 1.0mAIC=15A VGE=15Vle = 30A See F¡g. 2, 5]c=15A,Tj = 150°CVCE = VGE, le = 250(jAVCE = VGE, le = 250uAVGE=100V, |C = 15AVGE = OV, VCE=1200VVGE = OV, VCE = 1 200V, Tj = 1 50°Clc = 8.0A SeeFig. 13IG = 8.0A, Tj = 125°CVGE = ¿20V
Switching Characteristics = 25°C (unless otherwise specified)
Qa
QgQ
Qgctd(on)
tr
tdíotfl
tí
EOH
EoH'
Ets
tsc
tdfonl
tr
tdtolfl
tí
Els
LECíes
Coas
CrP,
trr
Irr
Qrr
d¡(rec)M/dt
ParameterTotal Gate Charge (turn-on)Gate - Emiíter Charge (turn-on)Gate - Collector Charge {turn-on}Turn-On Delay TimeRise TimeTurn-Off Delay TimeFall TimeTurn-On Switching LosaTurn-Off Switching LossTotal Switching LossShort Circuit Withstand Time
Turn-On Delay TimeRise TimeTum-Off Delay TimeFall TimeTotal Switching LossInternal Emitter InductanceInput CapacítanceOutput CapaciíanceReverse Transfer CapacitanceDiode Reverse Recovery Time
Diode Peak Reverse Recovery Current
Diode Reverse Recovery Charge
Diode Peak Rate of Fall of RecoveryDuring tb
Min.—————__
—_
—10
—_
——
—
—
—
——
—
—
—
———
—
—
Typ.94
14
37
50
31
96
220
1.31
1.122.43
—
49
33
290
440
5.1
13
1600
77
26
63
106
4.5
6.2140
335
133
85
Max.140
22
55
——
140
330
—
—
2.8
—
—
—
——
—_
_
——
95
160
8.0
11380
880
—
—
Units
nC
ns
mJ
US
ns
mJnH
pF
ns
A
nC
A/us
ConditionsIC=15AVcc = 400V SeeVGE = 15V
Tj = 25DCIC = 15A, VCC = 800VVGE=15V, RG = 10n
Fig.8
Energy losses include "tail"and diode reverse recoverySeeFig. 9,10,18VCc = 720V,Tj=125°CVGE = 15V, RG = ion , VCPK < 500VTj= 150°C, See Fig. 10,11,18lc=15A, Vcc = 800VVGE=15V, RG = 10aEnergy losses include "tail"and diode reverse recoveryMeasured 5mm from packageVGE = OV ,Vcc = 30V See Fig. 7f = 1.0MHzTj = 25°C See Fig.Tj=125°C 14
Tj = 25°C See Fig.Tj = 125°C 15Tj = 25°C SeeFig.
Tj=125°C 16
Tj = 25°C See Fig.Tj=125DC 17
IF = 8.0A
VR = 200V
di/dt = 200Aps
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IníernationaliQRRecíifier IRG4PH40KD
1-z:uucece=>ÜQ
O
f, Frequency (KHz)
Fig. 1 - Typical Load Currení vs, Frequency(Load Currení = IRMS of fundameníal)
100
É 1 0
Ü
6
Tj=151°
Tj = 25nC-
20ps PULSE WIDTH
100
10VCE, Collector-to-Emitter Voltage (V)
ü
ELU
ü
= 1SO°C
, = 25DC
Vcc = 50V5ps PULSE WIDTH
6 8 10 12 14VGE, Gate-to-Em¡UerVollage (V)
Fig. 2 -Typica! Outpuí Characíeristics
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Fig. 3 - Typical Transfer Characíeristics
IRG4PH40KDInternationali«RRedifier
ü
25
20
^ 15oüüa 10
25 50 75 100 125 150
TC , Case Temperatura ( °3)-60 -40 -20 O 20 40 60 80 100 120 140 160
Tj , Junction Temperaíure (°C)
Fig. 4 - Máximum Collecíor Current vs. CaseTemperaíure
Fig, 5 -Typical Collector-ío-£m¡ííer Voltagevs. Junction Temperature
Notes:l.Duty factor D= 1]/12
2.PeakTj=PDM x ZlhJC +TC
0.001 0.01
j , Rectangular Pulse Duration (sec)
Fig, 6 - Máximum Effecíive Transiení Thermal Impedance, Juncíion-ío-Case
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f*.
o 3
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o0
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CQ
0
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(pF)
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VG
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TJ I -P^
O 7^ D
4
IRG4PH40KD14
12
10
8
6
4
2
ReTjVGCVGE
lof15080015V
1L:
V
//
//
,•/
////
//
//
O 5 10 15 20 25I c, Collector-to-ernitter Current (A)
Fig. 11 - Typical Swiíching Losses vs.Collecíor-ío-Emitíer Currení
100
£LLI
OÜ
VGTj
—
E=¿= 1///
/
...
1
_h:::I
3AFE
JV
25 °CW-1
OPEF A"
--,I
"INC
InlernaíionaliQRRecíifier
it —iiuu
!
.! '—i1
!
3 AREA
r
—
1 10 100 1000 10000VCE, Collector-to-Emitter Voltage (V)
F¡g.l2-Turn-OffSOA
z
O 2 4 6 8 10
Forward Voltage Drop -Vp M {V}
Fig. 13 - Máximum Forward Voltage Drop vs. Insíaníaneous Forward Currení
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Internaíionali«RRecíif¡er
d i f / d t - ( A / p s )
Fig. 14 -Typical Reverse Recovery vs. dif/dt
IRG4PH40KD
VR= 200VTj= 125°CT j = 2 5 ° C -
]P=i6A-^:-^L--fI I -̂ -̂i-̂ r
d i f / d t - ( A / p s )
Fig. 15 - Typical Recovery Current vs. dif/dt
- | F = 16A-
d í [ /d t - (A /ps)
Fig. 16 - Typical Stored Charge vs. dif/dt
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-a 100
d i [ / d t - (A /ps )
Fig. 17 - Typica] di(rec)M/dí vs. dif/dí
IRG4PH40KDInternaíionaliQRRectifier
Fíg. 18a - Test Circuit for Measurement of
ILM. £on- Eoff(díode). trr. Qrr, lrr. td(on). tr, *d(off)i t(
E o t f = /Vce Icdtn
Fíg. 18b - Test Waveíorms for Circuit of Fig. 18a, Defining
GATE VOITAGE D.U.T.
Fig. 18c - Tesí Waveforms for Circuit of Fig. 18a,Defining Eon, td(on), tr
Fíg. 18d - Tesí Waveforms for Circuit of Fig. 18a,Defining Erec, ífr, Qm ]rr
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InternationaliQRRecíifier
J
• ^
x
r
IF
DEV1CE UNDERTEST
CURRENTD.U.T.
yS VOLTAGE IN O.U.T.
\N D1
IRG4PH40KD
Figure 18e. Macro Waveforrns for Figure ISa's Tesi Circuit
=- —
(1JL J.Jv^
BOOOpF100V
¿
/
1
;
uuwu
ÍOOOV Vc'
t A- f fuD.U.T.
xl
0-800V
Figure 19. Clamped Inducíive Load Test Circuit Figure 20. Pulsed Collecíor CurrentTesi Circuit
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