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Las diversas etapas del proceso
Ahora que tenemos en claro los principios a través de los cuales abordaremos los objetivos, iremos recorriendo una a una las etapas del procesamiento de la forma de onda, desde la entrada de red de 50 Hz hasta la salida de alta frecuencia que se aplicará directamente a la lámpara (con todo lo que ello implica).
Observe el diagrama en bloques de la figura 1. Claro que si usted prefiere algo un tanto más real, podemos mostrarle estas mismas etapas dentro del circuito real del balasto electrónico. Primero aquellas que se ven desde la parte superior (figura 2), luego las etapas que, por la modalidad tecnológica adoptada para la fabricación (tecnología SMD) se ven desde la parte inferior (figura 3).
No se asuste si no comprende la sigla SMD, más adelante explicaremos el tema con detalle.
 Figura 1
 Figura 2
 Figura 3
Primera etapa: filtro de red
Generalmente, los balastos electrónicos se alimentan directamente desde la red de tensión alterna. Idealmente, podríamos suponer que la forma de onda de esta tensión es senoidal, pero en la práctica, contiene ruidos ocasionados por diversos eventos, como podría ser el arranque de motores. Este ruido está compuesto por picos de muy alta tensión y corta durabilidad (alta frecuencia) a los cuales llamamos “transitorios de red”. Si bien los transitorios no tienen la suficiente energía como para afectar el funcionamiento de los equipos de iluminación con balastos electromagnéticos, el oscilador del balasto electrónico es demasiado delicado como para dejar librado al azar el hecho de resistirlos. Sin entrar en demasiado detalle, podemos decir que el filtro de red bloquea los transitorios de la línea de alimentación para evitar el paso de los mismos hacia las etapas más delicadas del circuito. La figura 4 presenta algunos circuitos de filtros de diferentes tecnologías.
La diferencia entre las distintas generaciones de filtros de red radica en la calidad del filtrado. El filtro de segunda generación posee una doble celda que refuerza la capacidad de rechazo a las altas frecuencias producidas tanto por los transitorios, como por el mismo oscilador del balasto. Esto permite asegurarnos de que la única frecuencia recibida por el circuito sea la baja frecuencia de alimentación (50/60 Hz) y no los picos de alta frecuencia.
Algo muy importante para citar es que el filtro de red evita que la alta frecuencia que proviene del oscilador del balasto (que se encuentra en etapas posteriores), se inyecte en la línea de alimentación. Éste es uno de los puntos que exige la norma en cuanto a compatibilidad electromagnética (figura 5).
 Figura 4
 Figura 5
¿Qué tengo que saber de los filtros de red?
Hay algo que usted no puede dejar de saber de los filtros de red (sea cual fuese su tecnología).
Considere el siguiente escenario: entra un transitorio por el conductor de fase, de unos miles de volts. El filtro tranquilamente podría limitarlo con un inductor serie, y derivarlo al neutro con un capacitor, como se ve en la figura 6.
Las flechas rojas indican la circulación del transitorio de alta frecuencia. El mismo ingresa por la fase, L lo filtra, y C se encarga de derivar los restos al neutro para que la onda entre pura al circuito del balasto. Toda esta magia sucede porque entre el pico del transitorio y el neutro (N) existe una gran diferencia de potencial que permite la circulación de corriente. Pero, ¿qué sucedería si el transitorio ingresara por la fase y por el neutro al mismo tiempo? Éste es el escenario más común.
Evidentemente el circuito anterior quedaría totalmente inutilizado, ya que entre la fase y el neutro no existiría diferencia de potencial que permitiera que el ruido circule. Para ello, realizando mejoras, arribamos a otro tipo de filtro (figura 7).
Aquí la única magia es la tierra, que establece un punto de referencia en 0 (cero) volts para que siempre exista diferencia de potencial, siendo que el ruido entre por la fase, por el neutro o por ambos conductores. Las flechas rojas indican el recorrido del transitorio, en este caso, se trata de un transitorio que ingresa por ambos conductores.
Como conclusión muy importante, se puede afirmar que el conductor de tierra es rigurosamente obligatorio para activar el filtro de red del balasto electrónico. De no ser conectado, el filtro se limita a frenar únicamente los ruidos que ingresen o por la fase o por neutro. Éste es un caso totalmente improbable, puesto que en la mayoría de los casos el transitorio ingresa por ambos conductores.
Regla Nº 1: El conductor de tierra es rigurosamente obligatorio cuando instale circuitos de iluminación con balastos electrónicos.
¿Algo más?
Sí, por supuesto, resta por comentar algo de suma importancia. Si observa el circuito de la figura 7, podría darse cuenta de que, si bien C1 y C2 están calculados para derivar ruidos de alta frecuencia, también se llevan una pequeña parte de los 50/60 Hz de alimentación. Por lo tanto, existe una corriente que se está derivando a tierra constantemente. El nivel de esta corriente depende de la tecnología del filtro, siendo los más modernos aquellos que derivan un menor nivel de corriente a tierra. A medida que el número de balastos electrónicos instalados por circuito aumenta, puede que el disyuntor diferencial actúe (figura 8).
 
Figuras 6 y 7
 Figura 8
Regla Nº 2: Tenga sus precauciones al instalar un alto número de balastos electrónicos por disyuntor diferencial monofásico, elija siempre balastos electrónicos con filtros de segunda generación para reducir estos niveles de corriente indeseados. Luego de esta etapa:
Segunda etapa: rectificador
Si bien esta etapa es, tal vez, la más sencilla de comprender, hay consideraciones de importancia para resaltar. En cuanto a la función propiamente dicha, no hay demasiado que decir, simplemente convierte la forma de onda senoidal alterna de la red en tensión continua. Esta tensión continua será demandada por el oscilador para producir la alta frecuencia.
¿Qué tengo que saber acerca del rectificador?
Dentro del rectificador se encuentra uno de los componentes más delicados del circuito: el capacitor de filtro. La calidad de este componente determina, ni más ni menos, la vida útil del balasto electrónico. Esto se debe a que los capacitores utilizados para filtrar la tensión alterna y producir una señal lo suficientemente pura de tensión continua son muy sensibles a la temperatura. Observe la figura 9, el capacitor de filtro es fácilmente identificable.
Es altamente recomendable que la temperatura del capacitor especificada por el fabricante sea de 105 ºC, para que la vida útil del balasto electrónico pueda abordar a las 50.000 horas (figura 10).
Regla Nº 3: Escoja siempre balastos electrónicos cuya vida útil sea mayor o igual a 50.000 horas, para lo cual, deberá estar dotado de un capacitor de filtro de alta temperatura.
 Figura 9
 Figura 10
¿Algo más?
Dado que los capacitores de filtro poseen un valor de capacidad alto, representan una carga importante al encontrarse descargados. Recuerde que cuando un capacitor se encuentra descargado, representa un cortocircuito que irá desapareciendo conforme el capacitor se vaya cargando.
Pero en el momento del encendido del balasto, el capacitor de filtro se encuentra descargado y puede que la corriente de arranque sea lo suficientemente alta como para disparar la protección de una llave termomagnética. Obviamente que este efecto se hace evidente cuando se encienden varios balastos electrónicos al mismo tiempo (figura 11). Tenga en consideración remitirse a la especificación del fabricante, donde se informa la cantidad máxima de balastos electrónicos por interruptor termomagnético en función de la potencia del equipo.
 Figura 11
Regla Nº 4: Tenga la precaución de consultar siempre la cantidad máxima de balastos electrónicos por interruptor termomagnético de acuerdo a la potencia instalada. Evite utilizar interruptores termomagnéticos de curvas rápidas, como ser curva “A”. Luego de esta etapa:
Tercera etapa: corrector del factor de potencia
Permítame hacerle una pregunta: ¿podría imaginarse qué tipo de factor de potencia tiene un balasto electrónico? Vamos a tratar de ayudarlo un poco: piense en ese capacitor de filtro que acabamos de ver conectado directamente a la red, ¿todavía no adivinó? ¡Seguro que sí!
Contrariamente a cualquier tipo de balasto electromagnético o elemento inductivo colocado a la red, el factor de potencia de un balasto electrónico es capacitivo. Esto significa que no vamos a poder corregirlo agregando un capacitor como habitualmente lo hacemos con las instalaciones de iluminación tradicionales. Aquí vamos a precisar la ayuda del fabricante, para que el factor de potencia sea corregido por algún método dentro del circuito del balasto electrónico.
Importante: recuerde que si el factor de potencia no se corrige, usted está expuesto a multas y/o a pagar por el costo de la energía reactiva consumida.
Hay varios métodos, por intermedio de los cuales, puede corregirse el factor de potencia dentro del circuito del balasto electrónico. Esto depende de la tecnología empleada y, por supuesto, impacta tanto en el costo como en la calidad del equipo. Básicamente, se pueden definir tres métodos de corrección:
- Por software: es el método más moderno, pero depende directamente de la tecnología empleada para la construcción del oscilador. Aquí, un software incluido en la ROM de un microprocesador, el cual opera el oscilador del balasto, se encarga también de calcular la corrección perfecta del factor de potencia, inyectando la señal faltante en la entrada de red. Tal vez habrá oído hablar de inyección de señal o fill valley. Con este método de gran precisión se logran valores en el orden de 0,98/0,99.
- Activo, por circuito integrado: este método utiliza un circuito integrado (chip) especialmente dedicado para tal fin, incorporado el circuito del balasto electrónico. Los valores obtenidos son, al igual que el método de corrección por software, muy precisos y confiables (0,96/0,98).
- Pasivo: es el método más antiguo, el cual utiliza componentes pasivos para la corrección del factor de potencia. Los valores obtenidos son poco precisos e inestables, suelen oscilar respecto de los cambios en la tensión de red (0,85/0,90).
Regla Nº 5: Exija siempre balastos electrónicos con factor de potencia corregido, caso contrario, no podrá hacerlo externamente y se expone a penalizaciones y pagos innecesarios de energía reactiva.
Luego de esta etapa:
Luego de la corrección del factor de potencia, la forma de onda de tensión continua aumenta un poco, pero es tan solo un detalle, no hace al funcionamiento del equipo.
Cuarta etapa: oscilador
Es el corazón del balasto electrónico, y al mismo tiempo, la etapa más delicada y comprometida del circuito. Todas las protecciones incorporadas (algunas de las cuales hemos mencionado, otras restan por mencionar) trabajan para cuidar al oscilador. La tarea del mismo es generar la corriente alterna de alta frecuencia que se aplicará al balasto limitador y a la lámpara a través de éste. El oscilador puede representarse como una llave electrónica que abre y cierra a altísimas velocidades recortando la forma de onda de tensión continua (en el orden de los 50.000 ciclos por segundo). La tecnología del oscilador define y caracteriza al balasto electrónico y, por supuesto, impacta tanto en el costo como en la seguridad y la performance del equipo.
Constructivamente el oscilador se compone de dos transistores que actúan de llave interruptora: cuando una llave abre, la otra cierra, y así sucesivamente (figura 12). Las protecciones incorporadas al balasto intentan evitar que bajo ninguna circunstancia se cierren ambos transistores al mismo tiempo. Esto provocaría un cortocircuito directo de la tensión de alimentación y, consecuentemente, el fin del balasto electrónico.
 Figura 12
¿Por qué sucedería esto?
Los transistores que actúan de llave electrónica suelen ser de tecnologías FET o MOSFET, esto significa que se activan por efecto de campo y no consumen corriente de entrada. La razón de utilizar estas tecnologías es evitar un consumo de corriente innecesario para activar el transistor, consumo que se haría presente en el caso de colocar transistores bipolares convencionales. Esto contribuye al ahorro de energía general del circuito. Por lo tanto, cualquier transitorio que lograra llegar a cualquiera de los transistores podría hacer que éste se active cuando el otro aún permanece activado. A esto se lo llama “cruce de los transistores de salida”.
Tenga en cuenta que la gran mayoría de las destrucciones de balastos electrónicos, se debe a cruces de los transistores de salida ocasionados, entre otras causas que detallaremos luego, por transitorios de red. Observe la figura 13, donde se muestra un circuito de balasto electrónico destruido por un cruce de los transistores de salida. ¿Ahora comprende la importancia de un filtro de red de alta tecnología?
 Figura 13
Tecnologías de aplicación para osciladores de balastos electrónicos
Primera generación
El oscilador está construido con componentes pasivos, se basa en un transformador toroidal con salidas homologas invertidas. Este circuito es muy antiguo, y durante muchos años constituyó la base mayoritaria de los osciladores de los balastos electrónicos (figura 14).
 Figura 14
Desventajas:
- Inestable respecto de los cambios de temperatura (corrimiento de la frecuencia de trabajo).
- Construcción y montaje manual, alta probabilidad de falla.
- No se puede estabilizar flujo de lámpara con cambios de la tensión de red.
- Un único balasto no admite múltiples potencias de lámpara.
- Alta pérdida de potencia en forma de calor.
- Alto riesgo de cruce de los transistores de salida.
- Requiere un circuito de arranque adicional para comenzar a operar.
- Requiere circuito adicional para garantizar el apagado de los transistores.
- Baja vida útil.
Por todo esto, el oscilador de primera generación se considera obsoleto.
Segunda generación
No pasó mucho tiempo hasta que las grandes empresas fabricantes de semiconductores en el mundo comenzaran a ver al balasto electrónico como un target interesante para colocar sus componentes. Se desarrollon circuitos integrados (chips) que trabajan como osciladores digitales, incorporando muchas de las protecciones que el balasto de primera generación requería. Estos circuitos integrados controlan toda la etapa de oscilación y se conectan directamente a los transistores de salida (figura 15).
Ventajas:
- Muy estables
- Protecciones básicas del oscilador incorporadas
- Reducen el tamaño del equipo
- Menor potencia consumida
- Bajo costo
Desventajas:
- No solucionan la corrección del factor de potencia de forma directa (dependen de otro integrado).
- No se puede estabilizar flujo de lámpara con cambios de la tensión de red.
- Un único balasto no admite múltiples potencias de lámpara.
 Figura 15
Tercera generación
Todas las operaciones se controlan por medio de un microprocesador, especialmente diseñado para balastos electrónicos, como ser los procesadores de potencia de la línea Motorola. El trabajo del oscilador puede personalizarse al máximo operando a través de un software grabado en la memoria ROM (EEPROM) interna del micro. Esto permite, entre otras cosas, construir balastos electrónicos multipotencia, donde la frecuencia del oscilador se mueve en función de la potencia de lámpara conectada por el usuario. También operan directamente sobre el MOSFET corrector del factor de potencia, lográndose valores muy precisos y estables. Algunos modelos de microprocesadores hasta pueden controlar térmicamente el balasto, disparando protecciones y grabando dentro de la memoria el código de falla producido, por ejemplo, cuando el balasto se instala en ambientes de alta temperatura. No existen límites, todo depende de la creatividad y la capacidad de ingeniería del fabricante para generar el programa (figura 16).
Ventajas
- Estabilidad perfecta
- Protecciones incorporadas
- Libertad de incorporar operaciones de confort y seguridad por software.
- Control de forma directa la corrección del factor de potencia.
- Regulación del flujo de lámpara con variaciones de la tensión de red.
- Multipotencia: un único balasto admite múltiples potencias de lámpara.
- Reducen al máximo el tamaño del equipo.
- Mínimo consumo de potencia
- Control de temperatura opcional
Desventajas:
- Mayor costo
Figura 16
Contacto
Carlos Suárez
suarez@eltargentina.com
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