Figura 1: Formas de onda del voltaje principal v/s voltaje y corriente de lámpara.

Al aplicar un voltaje de 220v/50hz y estabilizar con un ballast electromagnético, la forma de onda del voltaje y la corriente de lámpara de un tubo fluorescente no es una onda sinusoidal pura (ver figura 1).

Cada vez que la corriente pasa por el valor cero, la lámpara se apaga y necesita de un cierto voltaje peak de re-ignición para encender.

La energía eléctrica suministrada a la lámpara en forma de "Vlamp" y la corriente "Ilamp" es transformada en una potencia "Wlamp" con un cierto factor denominado "FP" (factor de potencia) (ver figura 1).

Wlamp = Vlamp x I lamp x FP

Figura 2: Flujo luminoso como función de la frecuencia de la tensión de alimentación.

El período de tiempo en que la lámpara se "apaga" disminuirá al incrementar la frecuencia de la corriente de lámpara "I lamp", resultando en un voltaje de ignición más bajo. Al incrementar la frecuencia, la corriente y el voltaje de lámpara serán cada vez más sinusoidales, resultando un mejor valor de FP.

Como resultado de la mejora en el FP, la corriente de lámpara será mas baja para una potencia determinada. Este hecho reduce las pérdidas en los electrodos, dando un mejoramiento extra en el flujo luminoso de salida. En el tubo fluorescente, una frecuencia de operación de alrededor de 10 khz produce una ganancia de un 10% de mayor luz de salida (ver figura 2).

Diagrama de bloques

A pesar que el ballast HF es un sistema electrónico integrado en una "caja negra", sus diferentes funciones y requerimientos pueden ser divididos en bloques individuales (ver figura 3).

Figura 3: Diagrama en bloques de las principales funciones de un ballast HF.

Diagrama circuital

El diagrama circuital de un ballast electrónico es el indicado en la figura 4. En éste, las funciones específicas de cada etapa son las siguientes.

1. Filtro pasa-bajos: Está constituido por una bobina de cobre, un núcleo de ferrita y un condensador. Tiene 4 funciones:

• Limitación de la distorsión armónica, por lo que sus valores permanecen dentro de estándares internacionales.

• Limitación de la radio interferencia, la cual de otra forma sería inyectada del ballast a la línea de alimentación.

• Protección de los componentes electrónicos contra peak de sobre- tensiones.

• Limita la corriente inrush.

2. El circuito rectificador: Está constituido por un puente de diodos y un condensador buffer. Esta etapa tiene la finalidad de rectificar la corriente de entrada a una corriente DC.

3. Oscilador de potencia HF: Es el corazón del ballast electrónico. Los switch semiconductores s1 y s2 son alternadamente activados por el control electrónico a un rango de frecuencia desde 20 a 100 khz, generando un voltaje HF con forma de onda cuadrada, entre los puntos 1 y 2. La frecuencia de estos pulsos cuadrados es regulada por el controlador de ballast.

Este voltaje HF es aplicado a la conexión serie de la lámpara y el núcleo HF indicado como "l" (núcleo de estabilización).

Los condensadores conectados en paralelo a las lámparas son necesarios, entre otras cosas, para el precalentamiento y proceso de partida: durante el precalentamiento la corriente fluye a través del electrodo y a través de estos condensadores paralelos.

Figura 4.

Distorsión armónica

Debido al principio de rectificación del voltaje de entrada y a la presencia del condensador buffer, la deformación de la forma de onda de la corriente de lámpara produce una distorsión armónica.

De acuerdo a los estándares internacionales, tales como IEC 555-2 y EN 61000-3-2, las armónicas más altas causadas por una carga no lineal, no pueden exceder ciertos porcentajes preestablecidos.

El filtro pasa-bajos en la entrada del ballast garantiza el cumplimiento de estos porcentajes (ver figura 5). En esta tabla se aprecia que los armónicos se encuentran dentro de los límites. El término THD corresponde a la "distorsión total armónica" que está definida por la siguiente formula.

La fórmula THD significa la raíz cuadrada de la suma de la magnitud de las armónicas de corriente, dividida por la magnitud de la corriente fundamental. Este es un parámetro que también está regulado por las normas ya mencionadas.

Figura 5: Valores de armónicos para diferentes Ballast.

Ventajas económicas

Las ventajas económicas que proporciona el uso de ballast electrónicos de alta frecuencia en una instalación de alumbrado, son las siguientes:

• Bajo consumo de energía eléctrica, por sus bajas pérdidas y por la operación de los tubos a menor potencia.

• Alto factor de potencia, lo cual produce una mayor eficiencia del ballast.

• 50% más de vida útil de los tubos, lo que reduce considerablemente los costos de reemplazo de tubos.

• Partida instantánea libre de flicker en aproximadamente 1 seg.

• Funcionamiento libre de efecto estroboscópico, el cual está asociado con la operación a 50 hz.

• Desconeccion automática de los tubos que presentan fallas de funcionamiento y/o que llegan al final de su vida útil.

• Posibilidad de funcionar en iluminación de emergencia, ya que los ballast electrónicos pueden funcionar con voltaje AC y/o DC.