PROIECT - SURSA DE INALTA FRECVENTA PENTRU ALIMENTAREA LAMPILOR FLUORESCENTE

UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMISOARA

FACULTATEA DE ELECTROTEHNICA

PROIECT

ILUMINAT ELECTRIC

SURSA DE INALTA FRECVENTA

PENTRU ALIMENTAREA LAMPILOR FLUORESCENTE

1.Tema proiectului:

Sa se proiecteze o sursa de inalta frecventa utilizand un invertor de tip FLYBACK cu izolare pentru alimentarea unei lampi fluorescente avand urmatorii parametrii :

Caracteristici tehnice

U_1n = 24 [V_cc] - tensiunea de alimentare

U₂ = 230 [V_ef] - tensiunea de iesire

P_n = 2*20 [W] - puterea nominala a lampii

f = 82 [kH_z]    - frecventa invertorului de comutatie a tranzistorului

η = 0.8 - randamentul transformatorului

Conditiile mediului ambiant :

80[%] la 20 [ -umiditate

θ_amb = 25 [⁰C] -temperatura mediului ambiant

p = 1 [atm] -presiunea atmosferica

Observatie:

Se va considera tensiunea U₁ in intervalul U₁=(0.8÷1.1)*U_1n pentru ca

sursa de alimentare are diferite nivele de tensiune.

Introducere

Principiul de functionare a surselor de lumina cu descarcari in gaze se bazeaza pe efectul luminescent (emisia de radiatii situate in spectrul vizibil) datorat amorsarii pentru intretinerea unei descarcari electrice intr-un mediu gazos.

Din categoria lampilor cu descarcari , tipurile cele mai reprezentative si cele mai frecvent utilizate sunt:

a) lampile cu descarcari in gaze si vapori de mercur la joasa presiune si inalta presiune (LVHgJP si LVHgIP);

b) lampile cu descarcari in gaze si vapori de sodiu la joasa presiune si inalta presiune (LVNaJP si LVNaIP);

c) lampile cu descarcari in gaze (LDG):xenon, argon, neon etc.

Lampile fluorescente, spre deosebire de lampile cu incandescenta, necesita pentru pornire si functionare elementele de circuit suplimentare: starter (ST) si balast (B), figurile de mai jos:

Schema de conexiuni mono a lampilor fluorescente

Starterul are rolul unui element de comanda a secventelor necesare amorsarii descarcarii electrice in lampa: la inchiderea contactului se declanseaza secventa de preincalzire si ionizare, iar la deschiderea ulterioara a contactului se initializeaza descarcarea electrica in lampa sub efectul unui soc de supratensiune. Starterele pentru lampile fluorescente pot fi de doua tipuri: cu licarire si statice (PTC).

Balastul (bobina cu miez feromagnetic) genereaza prin autoinductie socul de supratensiune si asigura stabilizarea parametrilor descarcarii (curentul si tensiunea prin lampa) la functionarea de durata.

Descarcarea electrica produce fenomene radiante situate preponderent in spectrul ultraviolet (UV) invizibil. Sub actiunea radiatiilor (UV) atomii substantelor complexe din structura luminoforului emit radiatii luminoase (situate in spectrul vizibil).

1.Calculul de dimensionare pentru sursa de inalta frecventa

(invertor FLYBACK cu izolare)

2.1 Alegerea tranzistorului din catalog

Sursa de inalta frecventa are in componenta sa un convertor de tip FLYBACK a carui iesire este peste un transformator ridicator cu miezul din ferita.

Schema de principiu a unei surse in comutatie de tip "FLYBACK" cu izolare.

Factorul de umplere :

=0.5

avand:

Tensiunea de alimentare variaza intre doua valori U₁=(0.85÷1.1)U_1n , astfel incat vom obtine 2 valori pentru factorul de umplere:

pentru U₁=1.1* U_1n =>

pentru U₁=0.85* U_1n =>

Pentru variatia factorului de umplere (D) in jurul valorii de 0.5 obtinem:

- tensiunea drena-sursa maxima:

- curentul de drena maxim:

Cunoscand frecventa se va calcula in continuare perioada:

Se alege din catalog tranzistorul MOSFET MTP10N10EL de pe site-ul www.irf.com pe caza calculelor realizate anterior astfel incat timpii de comutatie (t_on si t_off) sa fie mai mici decat 1%*T pentru a avea pierderi cat mai mici in comutatie.

Tranzistorul ales are urmatorii parametrii:

2. Dimensionarea radiatorului

Disiparea de caldura pe tranzistor se poate reprezenta prin intermediul unor rezistente termice ca in figura:

Circuitul electric de transmitere a caldurii

in care : θ_jonctiune - temperatura jonctiuni tranzistorului data de catalog;

θ_ambiant - temperatura mediului ambiant data in cerintele proiectului ;

R_thj-c - rezistenta termica jonctiune-carcasa data de catalog;

R_thc-a - rezistenta termica carcasa-mediu ambiant;

R_thc-r - rezistenta termica carcasa-radiator data de proiect (0.5 [⁰C/W] );

R_thr-a - rezistenta termica radiator-mediu ambiant;

Pentru calculul radiatorului tranzistorului trebuie calculata puterea maxima disipata de acesta:

In urma calculelor verificam conditia ca puterea disipata maxima in tranzistor sa fie mai mica decat puterea disipata admisibila a tranzistorului :

P_{Dis_max} =40 [W] > P_Tot = 20[W] - conditie indeplinita

Se calcueaza rezistenta termica jonctiune-mediu ambiant cu relatia:

R_thr-a= R_thj-a -R_thj-c -R_thc-r== 71.4-3.13-0.5=67.7 [⁰C/W]

In urma calculelor efectuate si in urma consultarii nomogramei tranzistorului ales observam ca nu este nevoie de radiator (Anexa 2). Astfel circuitul nu va mai contine radiator si va arata astfel:

3. Proiectarea transformatorului de inalta frecventa si alegerea elementelor constructive

3.1.Alegerea miezului feromagnetic si calculul infasurarilor

Transformatorul are miez din ferita si nu din tole precum majoritatea transformatoarelor. Proiectantul este constrans sa foloseasca miez de ferita datorita frecventelor mari de comutatie avand ca efect micsorarea sau chiar a evitarea pierderilor prin histerezis si prin curenti turbionari. Feritele moi se utilizeaza in domeniul frecventelor inalte avand cea mai larga raspandire.   

Curba de prima magnetizare si histerezisul magnetic

Cele mai utilizate materiale in domeniul frecventelor inalte sunt feritele moi care care au caracteristicile:

o       rezistivitate interna foarte mare si permeabilitate magnetica relativ ridicata.

o       pierderi reduse si un grad de incalzire redus;

o       nu prezinta magnetism remanent.

Un transformator lucreaza in conditii de eficienta maxima daca raportul tensiunilor din cele doua infasurari este egal cu raportul dintre numarul de spire din primar si secundar

Pe baza caracteristicilor de magnetizare a materialului (MZ-6)alegem din Anexa 1 pierderile specifice: p≤10 [mW/cm³]

s-a ales: p = 8 [mW/cm³], pierderi ce corespund frecventei de: f=82[Khz]

Variatia inductiei magnetice in miez corespunzatoare acestei frecvente si pierderilor specifice este ΔB=0.06[T].

Pentru a evita saturatia miezului magnetic in cele mai dezavantajoase conditii vom alege pentru transformator:

B_max=2* ΔB=2*0.06=0.12[T].

3.2 Determinarea dimensiunilor si geometriei miezului

Se va alege miezul magnetic in forma de "E", iar tipul miezului se alege din Anexa 4. Dupa incercasi succesive am ales miezul magnetic de tipul E 30 MZ-6-07 cu dimensiunile:

a = 30 [mm]

b = 15.2 [mm]

c = 9.7    [mm]

d = 7.2    [mm]

e = 19.5 [mm]

f* = 7.3 [mm]

R = 1.8 [mm]

A_L=1800 [nH/sp²]

Forma si dimensiunile miezului de ferita al transformatorului

Se calculeaza sectiunea coloanei jugului magnetic (S_m) si sectiunea disponibila pentru bobinaj (S_b) :

S_m = == 0.525 [cm²]

S_b = == 0.954 [cm²]

unde k_b este factorul de bobinaj, k_b de unde am ales k_b =0.8

Pentru ca transformatorul sa reziste la solicitarile electromagnetice la care este supus in timpul functionarii se verifica conditia:

unde j=densitatea de curent (2.53)[A/mm² ], am ales j= 3[A/mm²]

k_s se alege din intervalul [1.5÷1.7]; l-am ales k_s=1.5

S_m S_b=0.5250.954 = 0.500 [cm⁴]

Din conditia: 0.500≥0.0271 conditie indeplinita

3.3 Calculul infasurarilor

Numarul de spire din primar:

Numarul de spire din secundar:

, se allege k_sp =(1.02 ÷ 1.05) (s-a ales k_sp =1.02)

Curentii din infasurari:

I₁ = I_Dmax = 8.34 [A] I=8.62 [A] (Anexa 5)

I=0.185[A] (Anexa 5)

Diametrele conductoarelor (Anexa 5):

d_Cu1=0.19[mm]

d_Cu1iz1=0.1990[mm].

d_Cu2=0.0280[mm]

d_Cu1iz2=0.0315[mm].

Grosimea infasurarilor primara si secundara pe fereastra:

Prima data se alege grosimea carcasei g_c din intervalul (0.5÷1.5)mm , apoi se calculeaza grosimea ferestrei.

g_c = 0.1 [cm] - grosimea carcasei

g_f = 0.615 [cm]

Calculam grosimea repartizata infasurarilor primare in fereastra transformatorului:

g_iz=0.03 [cm] grosimea izolatiei din secundar si din primar:

g₁=

Calculam grosimea repartizata infasurarilor secundare in fereastra transformatorului:

Lungimile medii ale spirelor sunt:

pentru primar:

pentru secundar :

Lungimile infasurarilor sunt:

- lungimea totala a infasurarii primarului:

l₁ = 0.0379 [m]

- lungimea totala a infasurarii secundarului :

l₂ = 0.531 [m]

Masa conductoarelor din primar (m_cu1) si din secundar (m_cu2) se calculeaza cu relatiile:

m_cu1=

m_cu2=

γ_cu = 8.900 [kg/dm³] - densitatea cuprului

Modul de bobinare folosit este strat langa strat dupa cum reiese din figura:

3.4. Asezarea infasurarilor in fereastra transformatorului

Se calculeaza numarul de spire pe strat si numarul de straturi:

N_sp/str1=

Se rotunjeste N_sp/str1=10 spire

N_sp/str2=

Se rotunjeste N_sp/str2=63 spire

N_str1 = straturi

Se rotunjeste N_str1 =1 strat in primar

N_str2 = straturi

Se rotunjeste N_str2 =1 straturi in secundar

3.5.Verificarea geometriei

• Cotele de latime:

0.378<0.615 -conditie indeplinita

• Raportul dintre sectiunea neta cuprului si sectiunea totala a ferestrei:

k_b =

k_b =0.1713(calculat) <0.8(ales initial) conditie indeplinita; factor de bobinaj;

3.6. Calculul termic de verificarea a transformatorului la incalzire

Volumul miezului este:

V_m==4.916[cm³]

Pierderile in jugul feromagnetic sunt:

unde p_m=8*10^-3 [W/cm³]

Calculul rezistentei infasurarii din primar (R₁) si cea din secundar (R₂) se face cu relatiile:

R₁ =

R₂ =

unde ρ_cu = 1.7810^-8 [Ω*mm²/m]- rezistivitatea cuprului

Pierderile in bobinaj prin efect Joule-Lentz se calculeaza cu relatia de mai jos :

P_b =

Pierderile totale in transformator:

P_tot = P_b + P_m = 0.0211 + 0.0604 [W]

3.7.Calculul supratemperaturii in timpul functionarii

Suprafata laterala a transformatorului

S_r=

S_r ==41.125[cm²]

Conductanta termica a transformatorului este :

G_θ=S_r= [W/^oC]

Supratemperatura se calculeaza astfel :

= 0.598 [⁰C]

Temperatura maxima la care poate ajunge transformatorul in timpul functionarii este urmatoarea:

_max = _amb + = 25+ [⁰C]

3.8.Verificarea transformatorului la incalzire

Se verifica doua conditii :

-temperatura maxima din timpul functionarii transformatorului trebuie sa fie mai mica decat temperatura Curie pentru ca miezul magnetic sa nu-si piarda din proprietatile sale magnetice.

_max < _Curie

Temperatura Curie specifica miezului magnetic este(Anexa 3):

_Curie = 150 [⁰C]

Cum _max =25.59 [⁰C] se observa ca este verificata conditia anterioara (25.59 < 150).

-temperatura maxima din timpul functionarii transformatorului este mai mica decat temperatura clasei de izolatie .

Temperatura specifica pentru clasa de izolatie Y este _Y=90[⁰C]

_max < _Y (25.59< 90 ) (conditie indeplinita)

4. Alegerea circuitului de comanda (circuitului integrat) si dimensionarea elementelor acestuia

4.1.Realizarea si optimizarea circuitului

Schema de comanda a sursei in comutatie este prezentata in schema urmatoare:

Pentru comanda tranzistorului se foloseste circuitul integrat TLC 555.

Obtinem: - pragul de sus:

- pragul de jos:

Datorita variatiei tensiunii de alimentare a circuitului integrat intre limitele V₊=(4.5÷18)[V] iar tensiunea de alimentare este de U_1n=24[V] circuitul de comanda trebuie sa contina si un bloc de adaptare a tensiunii. Acest lucru se face prin rezistenta R₀ care se calculeaza cu relatia de mai jos :

Am ales valoarea V₊=18[V].

4.2.Dimensionarea elementelor

R₀ = se va alege din catalog

I_minimcircuit = 810^-3 - curentul minim al circuitului integrat

Se alege din cataloage o rezistenta cu valoarea superioara celei calculate:

s-a ales din catalog rezistenta OD122J-ND cu valoarea

R_0catalog

In aceste conditii P= puterea disipata pe rezistenta R₀ devine:

P = I_mincurent² R₀

Conditia de limitare a curentului :

R_Amin = = 15 [k =1[mA]

Astfel se alege din catalog rezistenta RC1/216K5%A-ND cu valoarea R_Amincatalog=16[k

Frecventa impulsurilor se regleaza din R_B:

C₁ trebuie ales din catalog intre (1÷10)[nF]

Am ales din catalog condensatorul C_1catalog=1[nF]:

Se realizeaza calculele folosind condensatorul ales:

R_Bmin =

R_B=R_Bmin+R_Bvar R_Bvar= R_B- R_Bmin=768.115 - 77.189 = 690.917 [

Trebuie aleasa o rezistenta mai mare decat valoarea lui R_Bmin si astfel se alege rezistenta TNPW2010750RBEEF-ND care are valoarea R_Bmincatalog=750[ ] si se efectueaza calculele cu aceasta valoare a lui R_Bmin:

R_Bmin=4.3[k R_Bmax=R_Bmin+R_Bvar =750+ 690.91 =1440.91 [

Trebuie verificata contitia: [k

[k ]<10[M ] si astfel conditia anterioara este verificata.

R_A si R_B alese din catalog difera de cele calculate va trebui recalculata frecventa:

f=82*10³[H_z]

Rezistentele alese mai sus trebuie sa verifice frecventa de lucru (82 kH_z) care trebuie sa fie cuprinsa intre o frecventa minima si una maxima cat mai apropiate ca valoare:

f_min == 76.75[kH_z]

f_max = = 82.81[kH_z]

Trebuie indeplinita conditia: f_min<f < f_max 76.75[kH_z]< 82[kH_z]<82.81 [kH_z] conditia impusa este verificata

5. Alegerea lampii fluorescente

Pentru circuitul de inalta frecventa proiectat se pot alege o multitudine de lampi fluorescente cu descarcari in gaze si vapori metalici la joasa presiune (LDGVMJP), insa alegerea optima o reprezinta lampa SYLVANIA F8W/154 ale carei caracteristici tenice sunt prezentate mai jos:

6. Simularea sursei de inalta frecventa

Tensiunea pe lampa are urmatoarele forme de unda:

Tensiunea drena-sursa este urmatoarea:

Curentul prin lampa este de urmatoarea forma:

7. Concluzii

Lampile fluorescente fac parte din categoria lampilor cu descarcari in gaze . Acestea sunt utilizate pentru iluminatul interior si pentru cel exterior.

Utilizarea frecventelor inalte la alimentarea lampilor fluorescente implica o serie de avantaje tehnico-economice: eficacitate luminoasa mai mare, tensiune de amorsare mai mica, palpaire redusa (dispare efectul stroboscopic, dispare flicker-ul), durata de functionare a lampillor mai mare - comparativ cu cazul alimentarii de la frecventa retelei de 50H_z.

Utilizarea invertoarelor statice in comutatie a dus la posibilitatea alimentarii lampilor fluorescente de la surse de tensiune continua de valoare redusa ( 6, 9, 12, 24 V_cc), ceea ce a condus la aplicatii ale iluminatului fluorescent in domenii independente de reteaua de alimentare: autovehicule rutiere, vagoane de tren, transport naval, lanterne portabile echipate cu lampi fluorescente miniatura.

Unul dintre avantajele este faptul ca putem comanda intrarea in conductive (MOSFET-ul comandandu-se in tensiune), se observa o crestere a factorului de putere, a randamentului si totodata a duratei de viata. Gabaritul redus prezinta de asemenea un avantaj.

8. Bibliografie

L. Mihet-Popa, D. Nicoara - "Conversia si utilizarea energiei electrice - Aplicatii practice ", Ed. Politehnica, Timisoara, 2005

2. L. Mihet-Popa - "Modelare si Simulare in MATLAB & Simulink cu aplicatii in Inginerie Electrica", Ed. Politehnica, Timisoara 2007

V.Popescu - "Electronica Aplicata- Stabilizatoare de tensiune in comutatie",Ed. de Vest, Timisoara, 1992

4. M. Ciugudean - "Proiectarea unor circuite electronice", Ed. Facla, Timisoara, 1983

5. D. Nicoara, N. Muntean, A. Hedes, I. Sora, V. Barb -    "Iluminat electric - Lucrari de laborator", Ed. Politehnica, Timisoara, 1995

6. www.sylvania-lamps.com

7. www.digikey.com

8. www.datasheetcatalog.net

9. www.scheme.ro

10. www.howstuffworks.com