Toepassing van filmcondensatoren in elektronische lichtballasten

DEPARTEMENT INDUSTRIELE WETENSCHAPPEN EN TECHNOLOGIE Associatie

K. U. L e u v e n

Basisopleiding van 1 cyclus

Academiejaar : 2004 - 2005 Opleiding :

ELEKTRICITEIT

Keuzerichting :

TELECOMMUNICATIE

Optie :

ELEKTRONICA

Eindwerk

Toepassing van filmcondensatoren in elektronische lichtballasten

door

Kristof Vandeputte

onder leiding van Ing. L. Decroos, KHBO Directeur G. Stevens, VISHAY BC COMPONENTS BVBA

Eindwerk aangeboden tot het behalen van het diploma

GEGRADUEERDE IN ELEKTRICITEIT Katholieke Hogeschool Brugge - Oostende Zeedijk 101 , 8400 Oostende tel +32 59 56 90 00 - fax +32 59 56 90 01

Vandeputte Kristof

Mededeling “Deze eindverhandeling was een examen; de tijdens de verdediging vastgestelde fouten werden niet gecorrigeerd.

1

Vandeputte Kristof

Toepassing van filmcondensatoren in elektronische lichtballasten Tijdens mijn stage periode heb ik mijzelf moeten vertrouwd maken met de signalen op de lampontstekingscondensatoren afkomstig uit een elektronische ballast en CFL’s (compact fluorescent lamp). Namelijk voorverwarming van de gloeidraden van de TL (fluorescent lamp/ buislamp) lampen, ontsteking van de lampen en de werkspanning van de TL lampen. Ook meten we de temperatuursstijging van de condensator waarover de signalen zich voordoen. De bedoeling van mijn eindwerk is om na te gaan of de nieuw ontworpen condensatoren eveneens in deze ballasten kunnen gebruikt worden en wat hun beperkingen zijn door het praktisch uitmeten van deze producten in vergelijking met de oudere generatie. De nieuwe generatie bestaat uit drie mogelijke versies: twee omhulde, gepot of gelakt en één niet-omhulde. Simulatietesten gebeuren door hoogfrequente spanningen op te wekken door middel van een serie resonantiecircuit waarbij de condensator in serie gezet wordt met een spoel. Daarover wordt een spanning gestuurd door middel van een versterker en generator. We gebruiken de normale werkspanningen van de ballast, omdat de condensator gedurende zijn ganse levensduur het langst aan deze onderworpen wordt. We bepalen de eigenopwarming bij die frequentie en spanning. Hieruit kunnen we afleiden wat de condensator theoretisch als maximum signaal zou kunnen hebben bij een bepaalde omgevingstemperatuur gelet op zijn maximale toegestane applicatietemperatuur in continu bedrijf . Op basis van de tijdsconstante die we afleiden uit de opwarmgrafiek kunnen we daarnaast nagaan hoe lang de condensator mag gebruikt worden op overspanning (te groot vermogen) tijdens opwarming van de elektroden. De resultaten voor de nieuwe condensatoren worden vergeleken met de vroegere types. Uiteindelijk kunnen de nieuwe condensatoren getest worden in de applicaties zelf.

2

Vandeputte Kristof

De inhoudsopgave Abstract ......................................................................................................................2 Inhoudsopgave ...........................................................................................................3 De alfabetische lijst van gebruikte afkortingen en symbolen ......................................5 Inleiding ......................................................................................................................8 1) Werking elektronische ontstekingscircuits van fluorescentielampen.............9 1.1) Elektronische Ballasten....................................................................................9 1.1.1) Basisconstructie ballast.................................................................................9 1.1.2) Voordelen ballast .......................................................................................13 1.2) CFL (compact fluorescent lamp)...................................................................15 1.2.1) Wat zijn CFL’s? .........................................................................................15 1.2.2) Waarom is de lampindustrie nog bezig met het ontwikkelen van CFL’s?..15 1.2.3) Wat zijn de grote voordelen van CFL’s?....................................................15 1.2.4) Algemeen ..................................................................................................16 2) Filmcondensatoren ........................................................................................18 2.1) De film-folie constructie.................................................................................18 2.2) Gemetalliseerde constructies........................................................................18 2.3) Onderverdeling volgens de inwendige constructie........................................18 2.3.1) Mono-constructie.......................................................................................18 2.3.2) Serie-constructie .......................................................................................18 3) Opmeten signalen in ballasten......................................................................20 4) Testopstelling .................................................................................................24 4.1) Testopstelling power dissipation ...................................................................24 4.2) De niet perfecte condensator en spoel .........................................................25 4.3) Functieschema power dissipation .................................................................26 4.4) Impedantie versterker ...................................................................................27 4.5) Besluit ...........................................................................................................27 5) Meetresultaten ................................................................................................28 5.1) Terugberekening naar 10°C stijging .............................................................28 5.2) Maximum tijdsbelasting condensator ............................................................35 6) Veilig overlijden van de condensator ...........................................................39 6.1) Overlijden van filmcondensatoren voor ballast .............................................39 6.2) Overlijden van filmcondensatoren voor CFL .................................................40 6.2.1) De 2n4 700V~ gelakte filmcondensator ........................................................40 6.2.1.1) DC doorslaan ............................................................................................40 6.2.1.2) AC doorslaan ............................................................................................42 6.2.2) De 2n4 700V~ naakte filmcondensator.........................................................43 6.2.2.1) DC doorslaan ............................................................................................43 6.2.2.2) AC doorslaan ............................................................................................44 7) Besluit .............................................................................................................45 8) Bijlage..............................................................................................................46

3

Vandeputte Kristof

7.1) Ballast ...........................................................................................................46 7.1.1) Inleiding ........................................................................................................46 7.1.2) Economie......................................................................................................46 7.1.3) Omgeving .....................................................................................................47 7.1.4) Storingen ......................................................................................................47 7.2) De fluorescente lamp ....................................................................................53 7.3) Gasontladingslampen ...................................................................................55 7.4) Meetresultaten bij 36kHz 4n7 1600V~ gekartelde folie gepotte versie .........59 7.5) Meetresultaten bij 100kHz 4n7 1600V~ gekartelde folie gepotte versie .......60 8.) De literatuurlijst ..............................................................................................62 8.1) Tijdschriftartikels ...........................................................................................62 8.2) Niet-gepubliceerde documenten ...................................................................62 8.3) Databank ......................................................................................................62 8.4) WWW-sites ...................................................................................................62

4

Vandeputte Kristof

De alfabetische lijst van gebruikte afkortingen en symbolen Crest Factor:

dV/dt:

Emi:

De Crest Factor is de verhouding tussen het start wattage tot het normale brand wattage van de lamp en de ballast. Een factor 1.4 en 1.7 is normaal, maar een hogere factor kan de levensduur van de lamp beduidend bekorten.

Voltage rise against time (snelheid waarmee de spanning verandert). De stroom in een condensator werd vaak uitgedrukt door de spanningsverandering of dV/dt. Deze zijn verbonden met de volgende formule: I = C * dV/dt of dV/dt = I/C. Dus als de condensator een waarde heft van 1nF en de stroom 1A is voor 1µs, dan is de rate of voltage change (snelheid van de spanningsverandering) 1000V/µs. Electro-magnetic interference (elektro-magnetische interferentie). Geluid gemaakt door de werking van kern en spoel toepassingen in zowel elektromagnetische als elektronische ballasten, gegenereert door de vibratie van de laminering in het elektromagnetische veld die de spanning en stroom transformeert. Het geluid gemaakt door de hoge frequentie elektronische ballast is lager dan deze van elektromagnetische ballasten.

Evsa: elektronisch voorschakelapparaat Lumen:

De SI-eenheid van luminantie of hoeveelheid licht, (de lichtstroom genoemd), afgekort tot Lm. Eén Lm is de hoeveelheid licht die wordt uitgezonden in sterradialen sr (een standaard hoek in de ruimte) door een uniforme puntvormige lichtbron met een sterkte van één candella cd. Men kan dus stellen dat: 1 Lm = 1 cd * sr

Power dissipation : Wanneer er een stroom vloeit in een component, zal deze opwarmen. Dit proces wordt power dissipation genoemd en wordt gemeten in Watt. Power Factor:

De power factor geeft de efficiëntie van de ballast aan in termen van de hoeveelheid Watt welke naar de ballast gaat en de hoeveelheid Watt welke naar de lamp gaat. Hoe dichter bij de waarde 1 hoe efficiënter de ballast werkt. Een power factor boven de 0,9 is een hoge power factor en een power factor tussen 0,5 en 0,7 is een normale power factor. De THD is hoger bij een normale power factor. De power factor wordt ook wel in procenten aangegeven, 1 staat dan voor 100% en 0,5 voor 50% enz.

5

Vandeputte Kristof

Risol: isolatieweerstand.van de condensator Schoopeerlaag:

de schoopeerlaag vormt het contact tussen de wikkel en de lasdraad en bestaat uit 2 verschillende metaalsoorten. De eerst laag is Zink (Zn) of Zink- Aluminium (ZnAl 85-15) met een dikte van 40µm tot 135µm. Deze vormt het contact met het aluminium van de folie. Daarop wordt een tweede laag Tin-Zink (SnZn 70-30) gespoten. Deze vormt het contact tussen de eerste laag met de lasdraad.

Tg d: de verliesfactor. Bij de ideale condensator heb je een tg d (= 0), omdat I en U perfect 90° verschoven zijn ten opzichte van elkaar. Maar omdat de praktische condensator een weerstand parallel heeft staan met de condensator, verkrijg je hier een hoek d. Hoe groter deze hoek, hoe groter tg d zal zijn en hoe meer de condensator zal opwarmen. Ideale condensator:

Tg d = tg ( 90° - α ) = 0 Praktische condensator:

Rs = Rcel + R las + R draad Tg d = ω * C * Rcel + ω * C * Rlas + ω * C * Rdraad

6

Vandeputte Kristof

THD: THD staat voor Total Harmonic Distortion (totale harmonische distortie) Deze waarde wordt veroorzaakt door afwijking van de sinusvormige golfvorm.(harmonische) Een harmonische is een sinusvormige component van een golf periode met een frequentie welke een veelfout is van de basis frequentie. De industrie standaard hiervoor is minder dan 20%. Indien de THD erg hoog is (rond de 150%) kan er ontbranding ontstaan. Bij een magnetische ballast ligt de THD tussen de 90% en 120%. Hoe lager de THD hoe minder stoor invloeden op de omgeving.

7

Vandeputte Kristof

Inleiding Dit eindwerk wil een manier vinden om een condensator uit te testen voor in een ballast of CFL, zonder deze ook degelijk in een ballast of CFL te moeten monteren. Het hiertoe in slagen is belangrijk voor het bedrijf, omdat ze dan vervolgens al hun componenten op dezelfde manier kunnen testen en hierdoor wetend of hun nieuwe componenten zullen voldoen aan de verschillende vereisten. Want de filmcondensator moet veel aankunnen in een ballast of CFl, quasi van spanning, frequentie en temperatuur. De metingen werden afgesloten na het testen van drie nieuwe 4n7 1600V~ gekartelde folie filmcondensatoren, namelijk twee omhulde types en één naakt type. Tesamen met de 4n7 300V~ niet gekartelde folie condensator (gepot), de 4n7 1400Vdc 383 (oudere type) en de 2n4 700V~ gelakte filmcondensator. Deze deden we om te kunnen vergelijken met de bestaande producten en de oudere versie van de nieuwe producten. De metingen eindigden bij de deze, omdat de vele metingen erop veel tijd in beslag nemen en anders niet alles getest kon worden.

8

Vandeputte Kristof

1.) Werking elektronische ontstekingscircuits van fluorescentielampen 1.1)

Elektronische Ballasten

1.1.1) Basisconstructie ballast De basisconstructie van een typische elektronische ballast bevat een laagdoorlaatfilter, een gelijkrichter, een condensator buffer en een hoge frequentie oscillator. Nochtans is het elektronische ballast systeem geïntegreerd in één enkele ‘black box’. De verschillende functies en vereisten kunnen verdeeld worden in een aantal individuele blokken. Het basiswerkingsprincipe is dat na het passeren van het laagdoorlaatfilter, de netspanning op 50Hz wordt gelijkgericht door een AC/DC omvormer. Deze omvormer bevat ook de condensator buffer die geladen wordt met een DC spanning. In de HF vermogen generator wordt deze DC spanning getransformeerd naar een HF spanning, die het vermogen voorziet voor de lamp controller. De ballast controller stuurt al deze functies.

Filter voor interferentie onderdrukking

Omvormer AC/DC = Pre -conditioner

Omvormer DC/AC = Lamp Controller

Net

Lamp

Ballast Controller

9

Vandeputte Kristof

Elektronische lamp ballast

EMI Filter

• • •

Voorkomt dat geleidende EMI de hoofdverbinding te bereiken Voorziet bescherming tegen elke overspanning op de ingang Voordoet aan alle geldende normen

Component vereisten

Net

•

C1 - C3 voor een goede HF filtering, condensator waarde experimenteel bepaald

• •

C1 X2 condensator C2 / C3 Y2 condensator

Filter voor interferentie onderdrukking

Het laagdoorfilter heeft 4 functies: - Beperken van de harmonische distortie zodat de niveaus binnen internationale standaarden blijven. - Beperken van radio interferentie, die anders binnen zou komen via het HF van de ballast naar het net. - Bescherming van de elektronische componenten tegen hoge spanningspieken. - Het beperken van de binnenkomende stroom.

10

Vandeputte Kristof

Filter voor interferentie onderdrukking

Omvormer AC/DC = Pre -conditioner

Net

Omvormer DC/AC = Lamp Controller

Lamp

Ballast Controller

De gelijkrichter bestaat uit een diode brug. De buffer condensator bepaalt in principe de vorm van de lamp stroom en de hoofdstroom. De HF power oscillator is het hart van de ballast. De condensatoren verbonden in parallel met de lampen zijn noodzakelijk voor meerdere dingen, namelijk voor voorverwarming en het startproces. Gedurende de voorverwarming vloeit de stroom door de lamp elektrodes en door deze parallelle condensatoren. Power factor correctie

•

Omvormen AC van input naar DC op C5 terwijl een sinusoïdale stroom vloeit

• •

Inductor met switch en diode van up-converter Spanning op C5 > max input voltage

Component vereisten

•

C5 voldoende grote condensator waarde om energie te voorzien, wanneer de ingangsspanning te laag is

•

C5 goede HF rimpel stroom gedrag

•

C4 goede HF filtering

11

Vandeputte Kristof

Elektronische lamp ballast

Schakel circuit

• • •

Vormt DC om van C5 naar AC doorheen de lamp L2 met C8 / C9 van het resonantie circuit C6 / C7 functie als spanningsverdeler

Component vereisten

• • •

C6 / C7 >> C8 om de rimpel op het minimale halve punt te houden

•

C5 goede HF filtering

C9 bestand tegen hoge spanning en hoge pulsstroom C8 hoge stroom gedrag mogelijkheid voor AC koppeling en DC ontkoppeling

12

Vandeputte Kristof

1.1.2) Voordelen Ballast De ballast neemt de voordelen van een karakteristiek van de fluorescente lamp, waarbij grotere doeltreffendheid is verkregen door te werken op hoge frequenties boven de 10kHz. De totale doeltreffendheid van het lichtsysteem kan verhoogd worden met 20 tot 30% dankzij drie factoren: 1. Verbeterde lamp doeltreffendheid op hoge frequentie werking 2. Verminderd circuit vermogen verliezen 3. De lamp werkt dichter bij de optimale performantie in de meeste ingesloten verlichtingen.

De doeltreffendheid te danken aan de hoge frequentie is verhoogd met zo’n 10%, daarbij mogelijk makend de lamp te laten werken op een lagere vermogen ingang dan op 50Hz net vermogen frequentie. Bijvoorbeeld een 36W 1200mm T8 lamp verbruikt normaal een circuit vermogen van 47W met conventionele ballast, deze kan nu werken op 36W voor dezelfde licht uitgang. Het net effect is dat dezelfde nuttige licht uitgang onderhouden is op lager vermogen ingang in een typische verlichting.

13

Vandeputte Kristof

Ballast verliezen worden gereduceerd vergeleken met een elektromagnetische ballast, als het halfgeleidercircuit geen conventionele koperen windingen bevat. In het geval van een twin 1200mm 36W verlichtingscircuit, kunnen de verliezen gereduceerd worden van 24W naar 6W, wanneer we een elektronische ballast gebruiken. De totale prestatie in een schikbare verlichting, is een energie reductie in de regio van 20% tot 30%. Deze energie besparingen maken het mogelijk energie niveaus te onderhouden met een dramatische vermindering in elektrische kosten. Andere voordelen van elektronische ballasten omvatten: • Vlugge of onmiddellijke start van de lamp zonder flikkeren • Enkele ballast kan worden ontwikkeld om 1, 2, 3, zelfs 4 lampen te sturen • Verhoogde levensduur van de lamp door een lagere werkstroom • Stille werking zonder hoorbaar geluid • Ook een dimbare versie beschikbaar • Geen geflikker gedurende de werking • Geen stroboscopisch effect en HF werking • De meeste moderne ontwerpen hebben een lagere totale harmonische distortie (THD) dan conventionele ballasten met of zonder vermogen correctie factor condensator. • Hoge totale vermogen factor is te wijten aan de THD. • Koelere omgevingstemperaturen binnenin de verlichting voor optimalisatie voor de werking van de lamp, controlekoppeling, condensator en batterijen voor noodverlichting. • Een lage werktemperatuur, verminderde carbonisatie en zwart maken van verlichting en decoratie in de omgeving. • Minder effect op de variatie van de lichtgevende flux te wijten aan de net voeding fluctuaties. • Veel lichter in gewicht. Niet zoals andere T8 lampen, zijn de nieuwe T5 lampen speciaal ontworpen voor werking met elektronische ballasten voor een grotere effectiviteit. De tabel hieronder somt de geschikbaarheid van de ballasttypes voor verschillende fluorescente lampen op.

14

Vandeputte Kristof

1.2)

CFL (compact fluorescent lamp)

1.2.1) Wat zijn CFL’s? Compact Fluorescent Lamp is een miniatuur versie van de Fluorescente lamp met H/U smal gevormde diameter gepoederde bedekte buis met een enkele basis geïntegreerde starter. Wanneer lampen met een plaatsbesparende dimensie en hoge verlichtingsflux vereist zijn, is de CFL de ideale lamp voor creatieve verlichtingsontwerpen. De CFL werkt op hetzelfde principe als dat van de elektronische ballast. Alleen is de CFL veel kleiner en werkt op hogere temperaturen => kortere levensduur. Deze kortere levensduur van de componenten wordt verantwoord, doordat de lamp maar een 8000 uur brandt. De CFL is ook goedkoper dan de elektronische ballast. 1.2.2) Waarom is de lamp industrie nog bezig met het ontwikkelen van CFL’s? Ontladingslampen van fluorescente of hogere druk types is een veel gebruikte verlichting voor commerciële of industriële doelen, die een veel hogere frequentie hebben dan de traditionele lampen. Dit is de reden dat de lampindustrie heeft gewerkt en nog steeds werkt op het ontwikkelen van een ontladingslamp die de positieve attributen heeft van een gloeilamp en de mogelijkheid heeft deze te vervangen. 1.2.3) Wat zijn de grote voordelen van CFL’s? 1.) Verbruikt 80% minder energie dan gloeilampen De CFL lamp verbruikt 1/5 van de elektriciteit vergeleken met een gloeilamp voor dezelfde lichthoeveelheid (lumen). 2.) Langer leven De CFL lamp heeft een gemiddeld leven van 8000 uur ipv 1000 uur voor een gewone gloeilamp => vervangingskosten besparen. 3.) Vrij van spanningsschommelingen en flikkeringen De CFL lamp is een lage spanning, lage druk gas ontladingslamp en is minder gevoelig aan spanningsschommelingen. 4.) Lage werkingskosten De CFL lamp heeft een lager energieverbruik en een langere levensduur vergeleken met de gloeilamp. 5.) Goede kleur kwaliteit De CFL lamp heeft een goed kleur rendement en is beschikbaar in daglicht en in koele daglicht kleuren. Daglicht CFL’s komen overeen in kleur met de gloeilamp. 6.) Terugbetaal periode Minder dan 6 maanden met een gemiddelde van 6 uur branden per dag. 7.) Warmte ontwikkeling 80% minder warmte dan gewone lampen, omgevingsvriendelijk en verminderd brandgevaar.

15

Vandeputte Kristof

1.2.4) Algemeen Sinds de introductie van de compacte fluorescentielamp (CFL met schroefvoet, beter bekend als spaarlamp) in 1981 is een groot aantal verschillende varianten, zowel met als zonder geïntegreerd vsa, op de markt verschenen. De compactheid, de efficiëntie van de voorschakelapparatuur en de betere warmtehuishouding hebben een belangrijke rol gespeeld bij de verdere ontwikkeling van onder andere de E14 en E27 varianten (zie figuur). Door de toepassing van tri-fosfors is de kleurweergave van compacte fluorescentielampen in het algemeen goed tot zeer goed. Compacte fluorescentielampen met E14 en E27 schroeffitting

Compacte fluorescentielampen zijn verkrijgbaar in vermogens van 5 tot 55 W met, afhankelijk van de vorm, grootte en het soort vsa, een energie-efficiëntie tussen 40 en 87 lm/W. CFL’s worden met elektromagnetische of (dimbare) elektronische vsa geleverd. Dimbare versies bieden een extra mogelijkheid tot energiebesparing. Een ander energiebesparend alternatief is de CFL met verschillende vermogenstanden. Voorbeelden hiervan zijn de CFL’s van fabrikant Mitor Industries, met vermogensreeks 13-26-39 W en 9-18-27 W. Beide types zijn voorzien van evsa.

16

Vandeputte Kristof

Naar verwachting zullen de toekomstige ontwikkelingen de trends volgen die reeds plaatsvinden bij de langwerpige fluorescentielampen: - de ontwikkeling van compacte uitvoeringen - een verdere verbetering van de kleurweergave - de verdere toepassing en ontwikkeling van uitvoeringen met geïntegreerde reflector - de ontwikkeling van dimbare uitvoeringen van lampen met geïntegreerde evsa - een goede warmtehuishouding in de armaturen Compacte fluorescentielampen zonder geïntegreerd voorschakelapparaat bieden belangrijke milieuvoordelen. Indien de CFL wordt gecombineerd met een gescheiden (e)vsa, die meer dan twee keer langer meegaat dan de lamp, dan kan dit de hoeveelheid afval verminderen. Daarnaast geeft de insteekvariant de garantie dat de lamp aan het einde van zijn levensduur niet wordt vervangen door een gloeilamp.

17

Vandeputte Kristof

2) Filmcondensatoren 2.1) De film – folie constructie: Daar waar zeer grote stromen als gevolg van de dV/dt (I = c dV/dt) kunnen optreden worden film-folie constructies toegepast. De elektrode bestaat uiteen metaalfolie, over het algemeen aluminium of loodtin. Binnen de film - folie condensatoren onderscheiden we: - geschoopeerde condensatoren: de aansluitdraden worden gelast of gesoldeerd op de schoopeerlaag. - niet geschoopeerde condensatoren: de aansluitdraden kunnen worden: - gelast - gesoldeerd - ingeschoten en inwendig gelast aan de elektrode 2.2) Gemetalliseerde constructies Voor algemene toepassingen wordt het elektrode materiaal opgedampt op het diëlektricum. De opdamplaag kan aluminium, zink of ZnAl zijn. Het diëlektricum kan: - enkelvoudig zijn, vb: polyester of polypropyleen - meervoudig zijn, vb: polyester + papier 2.3) Onderverdeling volgens de inwendige constructie: 2.3.1) MONO – constructie: Dit is de meest toegepaste constructie, de condensator is enkelvoudig . De totale uitwendig aangelegde spanning staat over het diëlektricum. Diëlektrisch film ontwerp voor een mono constructie: Plastieken film diëlektricum Gemetalliseerde film

2.3.2) SERIE – constructie: Er staan inwendig een aantal condensatoren in serie. Deze constructie wordt toegepast voor hoge DC en/of hoge AC-spanningen. Bij hoge DC-spanningen verdeelt de spanning zich evenredig met het aantal condensatoren in serie (N) . Er staat dan slechts l/N dc fractie van de spanning over het dielectricum. Bij AC toepassingen wordt de serieconstructie gebruikt om ionisatie te vermijden. Seriecondensatoren kunnen zowel in de breedte als in de lengte van de wikkeling

18

Vandeputte Kristof

geconstrueerd worden. De serieconstructie in de lengte wordt toegepast bij hoogspanningscondensatoren (vb. 15 KV). Diëlektrisch film ontwerp voor een serie constructie: 2 sectie constructie:

3 sectie constructie:

4 sectie constructie:

19

Vandeputte Kristof

3) Opmeten signalen in ballasten 3.1) Gemeten waarden ballast Gedurende de stage periode werden de signalen (voorverwarming, ontsteekspanning en werkspanning) gemeten over de film condensator, waarover deze signalen gebeurden. Deze werden samen met de temperatuur van deze condensator gemeten. Dit werd gedaan om zich vertrouwd te maken met de signalen. Volgende metingen zijn een sample van wat er gemeten werd. De samenvatting van de ballasten hieronder zijn deze voor de originele condensator waarover deze signalen gebeuren van die specifieke ballast. preheating spanning frequentie (Vpkpk) (kHz) HF-P 258 TLD EII 220-240V 2 lampen (6n8 1400V~ 4E 383) 1 lamp niet ontsteken HF-P 235 TL5 220-240V 2 lampen (3n9 1400V~ 6E 383) 1 lamp niet ontsteken HF-R DALI 258 TLD 220240V 2 lampen (2 * 4n7 1400V~ 6E 383) 1 lamp niet ontsteken HF-P 2 1824W PL-L 220-240V 2 lampen (4n7 1400V~ 6E 383) 1 lamp niet ontsteken

ignition running mode Spanning frequentie Spanning frequentie (kVpkpk) (kHz) (Vpkpk) (kHz)

290

113

1,25

72,2

540

45,6

290

77,2

1,64

72,3

X

X

290

71,7

2,07

58,9

X

X

392

93,9

1,35

50,3

571

49,8

352

100

1,53

55,6

X

X

392

94,3

1,37

59,7

X

X

510

86,2

510

86,2

352

81,3

571

64,8

571

64,8

X

X

510

87,3

2,68

65

X

X

470

70,4

690

65

510

48,2

372

80

1,35

52

X

X

392

79,2

1,49

53,2

X

X

Zoals u kunt zien heb je bij het niet ontsteken van de lampen duidelijk de hoogste spanning. Het niet ontsteken van de lampen werd gesimuleerd door de andere aansluiting van de lamp (de connectie), aan een andere lamp te hangen van hetzelfde type en wattage. Dankzij dat er in de meeste elektronische ballasten er een IC zit die de lampen detecteert, zal deze bij het niet ontsteken systematisch herproberen na een bepaald tijdsinterval (bij een kapotte lamp zal hij het ontsteken onderbreken).

20

Vandeputte Kristof

Bij deze ballasten werd dan de temperatuur opgemeten van de condensator, waarover de voorverwarming, ontsteking en werkspanning plaats vindt. Dit hebben we alleen gedaan bij de continue werking van de ballast, aangezien de condensator hier blijvend tegen moet kunnen in tegenstelling tot de voorverwarming en ontsteekspanning die maar voor een beperkte tijd aangelegd mag worden. Hier zien we het niet ontsteken van deze ballast als voorbeeld. Duidelijk zichtbaar is de voorverwarming en de poging tot ontsteken.

Hier bij het niet ontsteken, zal de grootste spanning voorkomen. Dit zullen we later in rekening moeten brengen bij de maximum belasting van de condensator. 3.2) Signalen ballast 3.2.1) werksequentie Deze figuur toont de half brug oscillatie frequentie als functie in de tijd voor al de normale modes van de werking: de voorverwarmingsmode, de ontsteekhellingsmode en de werkmode. Zoals getoond is er een initiële startfrequentie die veel hoger is dan de steady status voorverwarmingsmode frequentie die maar voor een korte tijd duurt. Dit wordt gedaan door te verzekeren dat de initiële spanning verschijnend over de lamp bij het opstarten van de oscillatie, de minimum lamp ontstekingsspanning niet overschrijdt. Als bij de initiële oscillatie van de half brug de spanning over de lamp groot genoeg is, zal er een zichtbare flits van de lamp gebeuren en dit moet vermeden worden. Dit effect is een koude start van de lamp die de levensduur van de lamp kan inkorten.

21

Vandeputte Kristof

3.2.2) Voorverwarmingsmode Wanneer de ballast het einde van de UVLO (undervoltage lock-out) mode bereikt, zullen we de voorverwarmingsmode betreden. Op dit punt zal de ballast controle oscillator van de IR2167 (de IC die de ballast stuurt) beginnen met werken en de uitgang van de halfbrug zal de resonantie lading (lamp) van het circuit sturen. De voorverwarmingsmode frequentie van de oscillatie is geselecteerd zodat de voorkomende spanning over de lamp onder de minimum ontsteekspanning van de lamp ligt, terwijl genoeg stroom leverend aan de voorverwarming van de lamp gloeidraden naar de correcte emissie temperatuur binnenin de voorverwarmingsmode periode. De tijdsduur van de voorverwarming, zowel als de werkingsmode van de ballast wordt bepaald door de spanning op de CPH pin van IR2167. 3.2.3) Ontsteekhellingsmode Op het einde van de voorverwarming zal de ballast overschakelen naar de ontsteekhellingsmode en de frequentie helling daalt naar de ontsteekfrequentie. De verandering in frequentie gebeurt niet in een stapfunctie, maar met een exponentieel verval. De tijdsduur van de frequentiehelling wordt bepaald door de soort tijdconstante van de RC combinatie. De minimumfrequentie van de oscillatie gebeurt op het einde van deze helling en is bepaald door deze weerstand en condensator. Deze minimum frequentie komt overeen met de maximum ontsteekspanning vereist door de lamp onder al de condities. Gedurende deze neerwaartse helling van de frequentie, is de spanning over de lamp gestegen in grootte als de frequentie de resonantie frequentie benadert van het LC laad circuit. Totdat de ontsteking van de lamp overschreden is en de lamp ontsteekt.

22

Vandeputte Kristof

3.2.4) Werkmode Op het einde van de ontstekingshelling mode zal de ballast schakelen naar de werkingsmode, op dat punt zal de frequentie veranderen naar de werkfrequentie. De werkfrequentie wordt bepaald door de parallelle combinatie van weerstanden en condensator . De werkfrequentie is dat op wat de lamp gestuurd zal worden volgens de producent aangeraden power rating.

23

Vandeputte Kristof

4) Testopstelling 4.1) Testopstelling power dissipation:

Eerst wordt de functiegenerator verbonden met de versterker, met de functiegenerator regelen we de frequentie en de spanning waarop we willen meten. De versterker zal deze spanning versterken zodat we hoog genoeg geraken. De uitgang van de versterker (aansluitdraden) gaan naar de LC kring. Hier maken we gebruik van serieresonantie zodat we een hogere spanning kunnen bekomen over de te meten filmcondensator. Als de gewenste frequentie x kHz is, dan is de spoel: f.res=1/(2.pi.wortel (L.C)) => L = 1/(4.pi².f².C)

24

Vandeputte Kristof

De temperatuur wordt gemeten door middel van een infrarood meter ofwel door een thermo couple (bij naakte producten, aangezien het oppervlakte materiaal van deze naakte filmcondensatoren reflectie kan geven). Deze infrarood meter wordt in één van de 2 gaten van de plexi meetbak gestoken, gericht op het midden van de opgehangen filmcondensator. De reden dat we deze richten op het midden van de condensator, is omdat daar de grootste opwarming gebeurt. De plexi meetbak dient om geen invloeden van buitenaf te krijgen. Bovendien gebeurden al deze metingen in het kwaliteitslabo dat op een constante temperatuur en vochtigheidsgraad gehouden wordt. 4.2) De niet perfecte condensator en spoel De spoel in de testopstelling voor power dissipation heeft een eigen weerstand en een condensator zal ook zekere verliezen hebben, die bovendien nog eens frequentie afhankelijk kan zijn. Tussen de wikkelingen van de spoel bestaat er dan ook nog eens een kleine capaciteit. Ook kunnen de aansluitdraden (de draden van de versterker naar de LC kring) van de versterker zich als een spoel of capaciteit gedragen. Ook het skin effect zal een grotere rol spelen bij de hogere frequenties. Door dit effect zullen de elektronen bij hogere frequenties steeds meer aan de buitenkant van de geleider gaan vloeien. Het gevolg is dat de effectieve doorsnede van de geleider steeds kleiner wordt voor hogere frequenties. Een reële condensator

Naarmate de frequentie groter wordt, gaat de parasitaire spoel meer invloed uitoefenen en zelfs de reactantie van de echte condensator overtreffen. We hebben dan geen condensator meer maar een spoel! LS is vooral een gevolg van de aansluitdraden. Bovendien kunnen LS en CP bij een bepaalde frequentie in resonantie treden en hiervoor een kortsluiting vormen (op RS na). Rp is de lekweerstand van de condensator. Rp zal voor filmcondensators praktisch niet bestaan.

25

Vandeputte Kristof

Een reële spoel.

CP is de parasitaire condensator gevormd tussen de wikkelingen van de spoel ( de over de spoel verdeelde capaciteit ) . Rs is natuurlijk de serieweerstand (skin effect inclusief) verdeeld over de spoel. Ook hier merken we een mogelijke parallelkring op. 4.3) Functieschema power dissipation:

R is hier Rs. Op een bepaald moment is de reactantie van L gelijk aan deze van C. Beiden zijn gelijk maar tegengesteld in zin (in tegenfase) en zullen elkaar opheffen. De totale stroom wordt niet meer beperkt ( afgezien van Rs ) en is dan in elk geval maximaal. In het geval van de serie kring stellen we vast dat bij resonantie de impedantie naar nul neigt (er is geen resitief element, in de praktijk zal hij gelijk zijn aan Rs). Hieruit volgt dat de stroom maximaal is. (praktijk: Z = Rs, = de weerstand van de draden + pootjes van de condensator + aansluitdraden spoel) Bij resonantiefrequentie verkrijgen we een zeer grote spanning over spoel en condensator. De spanning over L en C wordt als het ware vermenigvuldigd met een parameter (spanningsgenerator maal die factor). Deze factor geldt enkel bij resonantie. We kennen deze beter onder de naam "kwaliteitsfactor" Q van de kring. Q = 1 / Rs * wortel ( L / C )

26

Vandeputte Kristof

Resonantie is de frequentie waarbij bij zowel serie- als parallelschakeling, de reactanties elkaar uitnullen of opheffen. Anders gezegd: er bestaat geen reactantie meer doordat beide (van C en L) tegengesteld van zin zijn. LC ω2 = 1 Deze formule is meestal bekend onder de naam "formule van THOMSON". f = 1 / (2 * PI * wortel ( L * C ))

4.4) Impedantie versterker: De weerstand van de vloeiende elektrische stroom in een circuit wordt gemeten in ohms. De impedantie maakt het de stroom moeilijker om zich te bewegen doorheen een circuit. Hoe groter de impedantie zal zijn, hoe kleiner de stroom dat er zich in het circuit zal bevinden. Een goede versterker zal de hoeveelheid energie die eruit komt, verdubbelen bij het halveren van de impedantie. Vb: Als we 100W hebben bij een 8 ohmige impedantie, dan zullen we 200W verkrijgen bij een 4 ohmige impedantie. De versterker waarmee de power dissipatie gemeten wordt heeft een output van 325W/4ohm. In de echte wereld zullen weinig versterkers de mogelijkheid hebben om hun wattage te verdubbelen naarmate de impedantie halveert, door de beperkingen op hun voeding en ontwerp. De 4ohm van de versterker is alleen het gemiddelde van over alle frequenties waarover normaal gezien de luidspreker een output zou geven (hier voor andere toepassingen gebruikt). In realiteit kan de impedantie vallen naar 2 a 3 ohm en in andere gevallen (andere frequenties) kan het 40, 50 zelfs 60 ohm bereiken.

4.5) Besluit: Uit “de niet perfecte spoel en condensator” en “impedantie” kunnen we nu het volgende besluiten: Door middel van de Q-factor van de schakeling kunnen we verschillende keren de spanning vergroten bij resonantie frequentie. Theoretisch zouden we dan oneindig kunnen versterken, maar doordat de spanning iedere keer stijgt en de weerstand dezelfde blijft. Wordt de stroom iedere keer groter en groter totdat de versterker die stroom niet meer kan leveren en in verzadiging gaat.

27

Vandeputte Kristof

5.) Meetresultaten 5.1) Terugberekening naar 10°C stijging Deze meetresultaten zijn verkregen dankzij power dissipation. Hiermee testen we de drie nieuwe producten, namelijk de twee omhulde en één naakte versie. Via de opwarming van de condensator te meten door de condensator te onderwerpen aan verschillende spanningen en frequenties kunnen we deze opwarming bepalen. Door middel van vergelijkingen van de bekomen grafieken van de meetresultaten kunnen we dan beoordelen of de producten beter zijn dan de andere versies. Eerst en vooral wensen we dat het nieuwe product maximaal 10°C opwarmt gedurende de werking. Dit omdat we de eis op 10°C stellen (omwille van de interne stress die dan in de filmcondensator optreedt) en om de meetresultaten met elkaar te kunnen vergelijken. Hieronder ziet u de temperatuurskarakteristiek van de condensator (4n7 1600V~ gekartelde folie gepotte versie). De afmetingen van deze condensator bedragen zo’n 6*11.5*12 mm met een steek van 10mm, wat beduidend kleiner is dan de oudere versie (4n7 1400VDC 6E 383) : 6*12*17.5 mm met een steek van 15mm. Doordat de condensator zoveel kleiner is, zal er geen zo’n grote warmte afgifte gebeuren als bij het oudere model. Deze grafiek hieronder is één van de nieuwe filmcondensatoren met een tg delta van 0,0010 bij 100kHz. Dit is de hoogst toegelaten tg delta bij dit type condensator. De meeste condensatoren zullen rond de 0,0005 liggen, hierdoor zal de temperatuur gevoelig lager liggen. Maar aangezien er soms een uitschieter tussen de condensatoren kan zitten, moet men bij alles het maximum nemen, omdat de componenten zeker zouden voldoen aan de eis van de klant.

36 34

T (°C)

32 30 28 26 24 22 20 0

200

400

600

800

1000

t (s) (figuur: 36kHz 350Vrms voor 4n7 1600V~ gekartelde gepotte versie)

28

Vandeputte Kristof

De temperatuur van de grafiek stijgt van 22,9 tot 34,6°C, dit is een verschil van 11,7°C. Aangezien we zoeken naar een stijging van 10°C, zullen we terugberekenen hoeveel Vrms we moeten aanleggen om perfect 10°C stijging te hebben. P = ω * C * tg d * Vrms² P = 2*pi*3600kHz*4,7*10^-9*0,0010*350²*0,36 (0,36 = tg d bij 36kHz in rekening brengen) P = 0,046883 W Nu delen we de 10°C (de gewenste stijging) door de verkregen stijging (11,7°C) in temperatuur = 0,854701. Dit vermenigvuldigen we nu met het vermogen, om het vermogen te verkrijgen bij 10°C opwarming van de filmcondensator. Ö 0,854701 * 0,046883 = 0,040071 W Nu kunnen we Vrms uit de voorgaande formule halen: Vrms = wortel ( P / (ω * C * tg d*0,36) Ö 323,5751Vrms Ö We nemen 323Vrms Als we nu 323,5751Vrms aanleggen bij een frequentie van 36kHz, zal de condensator een stijging geven van 10°C. Dit kunnen we nu berekenen voor iedere frequentie waarop we gemeten hebben (zie tabel). Voor tg d = 0,0010 Voor tg d = 0,0005 Vrms f (kHz) Vrms f (kHz) 323,5 36 485 36 311 45 428 45 290 50 417 50 228 80 314 80 201 100 266 100 (dit is voor de 4n7 1600V~ gekartelde folie gepotte versie 4E 385)

Zoals duidelijk zichtbaar is er een groot verschil tussen de spanning die je mag aanleggen om 10°C stijging te hebben van de condensator bij de 2 verschillende tgd. Vervolgens kunnen we deze punten uitzetten in een grafiek (zie volgende bladzijde), zodat gemakkelijk bepaald kan worden wat er aan de condensator gelegd mag worden van spanning en frequentie, zonder dat de 10°C stijging overschreden wordt. Deze 10°C is een eis die gesteld wordt aan de condensator plus daardoor kunnen we dan de drie verschillende versies met elkaar vergelijken tesamen met de 4n7 300V~ versie.

29

Vandeputte Kristof

Opwarmingsgrafiek 1000

tg d = 0,0005 Vrms

tg d = 0,0010 Log. (tg d = 0,0005) Log. (tg d = 0,0010)

100 10

100

1000

f (kHz)

30

Vandeputte Kristof

Deze tabel is voor de 4n7 1600V~ gekartelde folie gelakte versie 4E 385 GEM tgd = 0,00065 Vrms f (kHz) 290 36 267 45 259 50 213 80 199 100

NR1 tgd = 0,0005 Vrms f (kHz) 306 36 282 45 227 50 226 80 215 100

NR4 tgd = 0,0008 Vrms f (kHz) 277 36 254 45 242 50 200 80 186 100

Deze tabel is voor de 4n7 1600V~ gekartelde folie naakte versie 4E 385 GEM tgd = 0,00075 Vrms f (kHz) 450 36 426 45 401 50 305 80 264 100

NR1 tgd = 0,0010 Vrms f (kHz) 399 36 355 45 334 50 245 80 212 100

NR2 tgd = 0,0005 Vrms f (kHz) 600 36 567 45 526 50 437 80 359 100

Nu kunnen we de 3 nieuwe componenten met elkaar vergelijken (grafiek: zie volgend blad). Wat merken we: Dat de naakte versie de beste is, dan de gepotte en als laatste de gelakte versie. Normaal gezien zou je verwachten dat de naakte net iets onder de gelakte zou liggen. Nochtans werden de metingen op de naakte condensator met zowel infrarood als thermo couple gedaan. Want er werd gevreesd dat de naakte condensator teveel reflectie zou geven als er met de infrarood meter op gemeten werd.

31

Vandeputte Kristof

Opwarmingsgrafiek 1000

gepot tg d = 0,0010 gepot tg d = 0,0005 gelakt tg d = 0,0008 gelakt tg d = 0,0005 naakt tg d = 0,0010

Vrms

naakt tg d = 0,0005 Log. (gelakt tg d = 0,0008) Log. (gelakt tg d = 0,0005) Log. (gepot tg d = 0,0010) Log. (gepot tg d = 0,0005) Log. (naakt tg d = 0,0005) Log. (naakt tg d = 0,0010)

100 10

100

1000

f (kHz)

32

Vandeputte Kristof

Aan de naakte condensator kan je de meeste spanning leggen voordat de condensator aan zijn 10°C stijging zit. Dit fenomeen dat de naakte condensator de beste is en dan pas de gepotte en de gelakte zit als volgt: De naakte kan zijn warmte meteen kwijt aan de omgeving. De stroom moet ook van het ene pootje naar de andere door de condensator. Hieruit kunnen we halen dat de warmte aan de uiteinden groter zal zijn dan in het midden. Bij de naakte zit die schoopeerlaag bloot en kan de warmte ook onmiddellijk weg. Daardoor kan de warmte in het midden terug vlugger weg, door ook langs beide zijden warmte kwijt te kunnen. De naakte en de gepotte zitten omhuld en daar zal de warmte niet zo vlot weg kunnen. Maar de gepotte doet het beter dan de gelakte, hierdoor zouden we kunnen zeggen dat de opgespoten laag van de gelakte condensator een grotere isolator is dan het huisje en de thermoharder die in de gepotte zit. Maar de oppervlakte heeft natuurlijk ook een invloed, hierdoor kunnen we zeggen dat het oppervlakte voordeel van de gepotte verloren gaat ten opzichte van de kleinere ongeïsoleerde naakte versie. Maar dat hetzelfde oppervlakte voordeel wel verschil uitmaakt bij omhulde condensatoren. Dit verklaart dan waarom de gepotte op zijn beurt dan weer beter is dan de gelakte. De gelakte is immers maar iets groter dan de naakte versie, maar zijn warmte afgifte gaat verloren door zijn gespoten bedekking. Nu zullen we deze versies nog eens vergelijken met de oudere versie (grafiek: zie volgend blad). Maar het verschil met de nieuwe versie, is dat de huismaat van de oudere groter is dan de nieuwe gepotte. De afmetingen van deze condensator bedragen zo’n 6*11.5*12 mm met een steek van 10mm, wat beduidend kleiner is dan de oudere versie: 6*12*17.5 mm met een steek van 15mm. Hierdoor heb je een grotere oppervlakte en een grotere warmte afgifte. Volgende bladzijde zie je grafiek met de ouder versie (4n7 1400Vdc 6E 383) en de 4n7 300V~ erbij. Duidelijk zichtbaar is dat de nieuwe naakte versie (4n7 1600V~ 4E 385) nog altijd de beste is. De oudere versie heeft een steiler verloop, dan de drie nieuwe versies, net als de 4n7 300V~. Hierdoor wordt de gepotte van de nieuwe versie iets beter op hogere frequenties, dan de oude versie.

33

Vandeputte Kristof

Opwarmingsgrafiek 1000

gepot tg d =0,0005 gelakt tg d = 0,0005 naakt tg d = 0,0005 4n7 300V~ gepot tg d = 0,0005

Vrms

4n7 1400Vdc tg d = 0,0005 Log. (naakt tg d = 0,0005) Log. (4n7 300V~ gepot tg d = 0,0005) Log. (gepot tg d =0,0005) Log. (gelakt tg d = 0,0005) Log. (4n7 1400Vdc tg d = 0,0005)

100 10

100

1000

f (kHz)

34

Kristof Vandeputte 5.2) Maximum tijdsbelasting condensator Bij de normale werkspanning moet de condensator blijvend die spanning en frequentie aankunnen zonder meer dan 10°C te stijgen. Bij de voorverwarming en ontsteking zullen deze waarden overschreden worden. Met als gevolg dat we de maximum tijd moeten bepalen dat onze condensator belast mag zijn met een zekere spanning en frequentie zonder dat hij meer dan 10°C stijgt. 100kHz 200Vrms tg d = 0,0010 34 32 T (°C)

30 28 26 24 22 20 0

200

400

600

800

1000

t (s)

(4n7 1600V~ gekartelde folie gepotte versie)

We zoeken τ, dit doen we als volgt: we zullen een raaklijn trekken vanuit het beginpunt langsheen de één minuut meetpunt (zie grafiek hieronder). 100kHz 200Vrms tg d = 0,0010 34 32 T (°C)

30 28 26 24 22 20 0

200

400

600

800

1000

t (s)

(4n7 1600V~ gekartelde folie gepotte versie)

Vanuit de kruising van de raaklijn en de lijn van de maximum bekomen temperatuur, kunnen we dan een rechte naar beneden trekken, waardoor we onze τ bekomen. τ is hier ongeveer 160s. Deze τ zou gelijk moeten zijn als het dezelfde condensator is (met dezelfde tg d) bij dezelfde frequentie bij gelijk welke spanning (zie onderstaande grafieken).

35

Kristof Vandeputte

100kHz 250Vrms tg d = 0,0010 45

T (°C)

40 35 30 25 20 0

200

400

600

800

1000

800

1000

t (s)

(4n7 1600V~ gekartelde folie gepotte versie)

100kHz 300Vrms tg d = 0,0010 55

T (°C)

50 45 40 35 30 25 20 0

200

400

600 t (s)

(4n7 1600V~ gekartelde folie gepotte versie)

Nu zul je zien dat de τ lichtjes verandert, dit komt door de onnauwkeurigheden bij het meten en het trekken van de raaklijnen. Bij de eerste opwarmingsgrafiek (100kHz 200Vrms tg d = 0,0010) kunnen we zeggen dat τ iets meer is dan 160s, bij de 2e is τ 160s en bij de laatste is τ ongeveer 140s. De berekeningen voor de maximum tijd dat de condensator mag belast worden kunnen we nu berekenen via de formule. formule: u^2 = U^2 ( 1 –e ^(-t/τ)) u = spanning die we aanleggen om een stijging van perfect 10°C te hebben U = de spanning die we willen aanleggen τ = 160s

36

Kristof Vandeputte Vb: we wensten een spanning van 500Vrms aan te leggen bij 36kHz. 323^2 = 500^2 ( 1 – e ^(- t / RC )) t = 86,4s Nemen 86s voor t als maximum tijdsbelasting. Ö We mogen de condensator voor ongeveer 86s aan een spanning van 500Vrms 36kHz onderwerpen. Zo kunnen we deze maximum tijd dat we de condensator bij een gegeven spanning en frequentie ook voor de ontsteking bepalen. Hiermee moeten we dan wel rekening houden met hoeveel de condensator al opgewarmd is gedurende de voorverwarming. Want de ontsteking die erna komt zal een signaal hebben dat ook boven de 10°C stijging zal liggen. Met andere woorden: we zullen de condensator niet zo lang mogen belasten (korter dan de maximum tijdsbelasting) op die bepaalde frequentie en spanning of we zullen dit moeten doen bij een lagere frequentie of spanning. Al de voorgaande berekeningen kunnen we dan vervolgens doen bij de verschillende frequenties waarop we het product getest hebben, namelijk: 36, 45, 50, 80 en 100kHz. formule: T = Tc ( 1 – e ^ ( - t / τ )) T = 10°C Tc = temperatuur die de condensator zal opwarmen bij de aangelegde spanning en frequentie t = maximum tijdsbelasting van de filmcondensator τ = 160s Eerst moeten we de thermische weerstand berekenen: P * Rµ = ∆T Bij ∆T = 10°C bij 100kHz hebben we terugberekend dat we 323Vrms nodig hebben. Ö P = ω * C * tg d * Vrms² Ö P = 0,308094W Rµ = ∆T/P = 32,4576 °C/W

37

Kristof Vandeputte Gewenste spanning: Ö 500Vrms => P = ω * C * tg d * Vrms² Ö P = 0,73827W ∆T = 0,73827 * 32,4576 = 23,9625°C zal de condensator opwarmen. Nu steken we dit getal in T = Tc ( 1 – e ^ ( - t / τ )) Ö t = 86,4s Ö We mogen de condensator voor ongeveer 86s aan een spanning van 500Vrms 36kHz onderwerpen.

38

Kristof Vandeputte 6) Veilig overlijden van de filmcondensator Met het veilig overlijden van de filmcondensator bedoelen we wanneer de condensator onderhevig is aan kortsluitingen, extreme hoge spanningen, ….. dat de condensator zal voldoen aan de geëiste waarden (vb: geen vonkvorming of brand). Verzoek van de klant is dat een condensator die iets rookt, wanneer het overlijd, niet gewenst is. Dit vanwege de vele rookdetectors die nu overal hangen. We kijken naar de dump (afval), deze zijn onderverdeeld in verschillende criteria van overlijden. DUMP D0 : DA : DB :

DC : DD :

niets te rapporteren 1.) kleine rookpluim 2.) kleine smelting doorheen een scheur of een barst 1.) niet kritisch vonken 2.) gesmolten folie doorheen het omhulsel 3.) rook zonder vuur 1.) kritisch vonken 2.) smelten van de folie met een grote rookontwikkeling 1.) vuur te wijten aan vonken 2.) vuur te wijten aan het smelten van de folie 3.) vuur te wijten aan expulsie

6.1) Overlijden van filmcondensatoren voor ballast Bij de drie nieuwe producten van de 4n7 (de gepotte, gelakte en naakte versie) is het niet gelukt deze te laten overlijden. Het overlijden doen we door de componenten te laten doorslaan op zowel DC als AC (AC betekend een zwaardere doorslag voor de componenten). Dit doen we met de bedoeling om de Risol van de condensatoren te laten zakken. Bij deze condensatoren voor het doorslaan ligt dit rond de 10¨6 Mega ohm. We willen hier een slechte condensator van maken door de Risol te verlagen (door te laten doorslaan) naar 10^2 Mohm. Deze zijn de gevaarlijkste condensatoren, want hier ligt de Risol laag en kan je er toch nog evenveel vermogen instoppen. Maar bij deze drie nieuwe producten is dit niet gelukt => Veilig bevonden.

39

Kristof Vandeputte 6.2) Overlijden van filmcondensatoren voor CFL 6.2.1) De 2n4 700V~ gelakt filmcondensator 6.2.1.1) DC doorslaan Hierbij hebben we eerst van een groep naakte en gelakte condensatoren de Tg d, Risol en capaciteit gemeten, vooraleer DC door te laten slaan. capaciteit Risol (nF) TgD (Mohm) 1 2,54 0,0149 10¨6 2 2,42 0,015 10¨6 3 2,52 0,0146 10¨6 4 2,5 0,0147 10¨6 5 2,47 0,0147 10¨6 (Tabel gelakte 2n4 700V~ voor doorslag)

Vervolgens lieten we deze doorslaan met een stroom van 0,5mA. De gebruikelijk waarde voor een condensator van deze waarde is 0,1mA. doorslagspanning 1 2 3 4 5

4284V 2520V 3781V 4826V 2667V

Nu meten we deze doorgeslegen condensatoren terug:

1 2 3 4 5

capaciteit (nF) 2,523 2,415 2,508 2,486 2,482

TgD 0,0152 0,0151 0,0147 0,0148 0,0149

Risol (Mohm) 10^6 10^6 10^6 10^6 10^6

Er is praktisch bijna geen verschil => proberen om door te slaan op een hogere stroominstelling. capaciteit Risol (nF) (Mohm) TgD 1 2,41 0,014 10¨6 2 2,5 0,0148 10¨6 3 2,66 0,0152 10¨6 4 2,5 0,0146 10¨6 5 2,49 0,0147 10¨6 (Nieuwe groep gelakte condensatoren van 2n4 700V~)

40

Kristof Vandeputte Vervolgens lieten we deze doorslaan met een stroom van 2,96mA. doorslagspanning 1 2 3 4 5

6844V 6814V 6570V 7015V 6297V

Nu meten we deze doorgeslegen condensatoren terug:

1 2 3 4 5

capaciteit (nF) 2,31 X X X X

TgD 0,0157 0,335 0,1862 X 0,4527

Risol (Mohm) 10^4 <1 <1 <1 <1

Wat zien we: De gelakte condensatoren zijn teveel doorgeslaan, dit komend door de te hoge stroom. Er is maar één meer die nog gebruikt kan worden om te laten overlijden door middel van power dissipation. Deze testen we toch uit in de power dissipation opstelling net als de andere niet ver genoeg doorgeslagen condensatoren. Het blijkt nu dat van de gelakte condensatoren er toch 2 getest konden worden op overlijden. Namelijk van degene die te ver doorgeslaan waren: de eerste die volgens de tabel nog goed was en de derde die na het inpompen van vermogen terug werkte. Aangezien deze een slechte Risol hebben en toch een grote vermogen opnemen, kwamen ze te overlijden.

Op de linkse foto (nr1) zie je een barst in de omhulling en wat gesmolten folie naar buiten komen door het overlijden in power dissipation opstelling. Dit zou DB geklasseerd zijn. Op de rechtse foto is er geen barst in de omhulling, maar wel wat gesmolten folie die naar buiten komt en hij heeft voor een paar seconden een pluimpje rook gegeven. Dit zou ook DB geklasseerd zijn. 41

Kristof Vandeputte 6.2.1.1) AC doorslaan Deze gelakte condensator hebben we ook op AC doorgeslagen, terug hopend op een daling van Risol zonder dat de condensator kapot is. Dit deden we door het toestel in te stellen op bijvoorbeeld 3000V~ en op stop te duwen (programma dat het toestel controleerde) wanneer de condensator doorsloeg. capaciteit (nF) TgD Risol (Mohm) 1 2,48 0,0146 10¨6 2 2,45 0,0143 10¨6 3 2,53 0,015 10¨6 4 2,34 0,0146 10¨6 5 2,48 0,0148 10¨6 (Tabel gelakte 2n4 700V~ voor AC doorslag)

Voor meerdere condensatoren die doorsloegen maten we alles opnieuw op en zagen we dat de condensator nauwelijks iets afgebouwd was. Dus probeerden we dit opnieuw, totdat ofwel de Risol laag genoeg was of de condensator eraan was (kwam altijd gebarsten uit het toestel en mat geen capaciteit meer). Nr1 hebben we zo 4 keren laten doorslaan (zie tabel), omdat de Risol nooit laag genoeg was, totdat de condensator natuurlijk kapot was. nr1 1 2 3 4

capaciteit (nF) 2,48 2,45 2,53 2,34

TgD 0,0146 0,0143 0,015 0,0146

Risol (Mohm) 10¨6 10¨6 10¨6 10¨6

doorgeslaan op 2100V / 2,6mA 2400V / 3mA 2500V / 3,1mA 3000V / 3,6mA

Voor de andere 4 condensatoren verliep dit gelijksoortig als met de eerste. Eerst de mogelijkheid hebben om de condensator meerdere keren door te slaan en dan was de condensator helemaal eraan en opengebarsten. Met als volgt: niet meer te testen in power dissipation opstelling voor het overlijden.

42

Kristof Vandeputte

6.2.2) 2n4 700V~ naakte filmcondensator De werking is juist dezelfde als bij de gelakte condensator. 6.2.2.1) DC doorslaan 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

capaciteit (nF) 2,4 2,42 2,42 2,38 2,4 2,38 2,41 2,38 2,42 2,38

TgD 0,0144 0,0144 0,0144 0,0146 0,0143 0,0144 0,0144 0,0145 0,0145 0,0146

Risol (Mohm) 10¨6 10¨6 10¨6 10¨6 10¨5 10¨6 10¨5 10¨6 10¨6 10¨5

Nu slaan we deze naakte condensatoren DC door bij 2,96mA (in plaats van 0,1mA). Na DC doorslag:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

capaciteit (nF) 2,18 1,67 2,14 2,22 2,26 2,08 2,33 1,97 2,21 2,18

TgD 0,0158 0,0192 0,0148 0,019 0,0155 0,0152 0,015 0,023 0,0168 0,0167

Risol (Mohm) 10¨6 10^4 10^5 10^5 10^4 10^5 10^4 10^5 10^5 10^5

We zien dat de capaciteit gedaald is samen met de Risol. Maar als we de condensators testen met een Risol van 10^4 in power dissipation opstelling kunnen we ze niet laten overlijden. Bij nog eens doorslaan of bij een grotere stroom laten doorslaan van de filmcondensator kunnen we ze nog niet laten overlijden in power dissipation opstelling.

43

Kristof Vandeputte 6.2.2.2) AC doorslaan Zelfde werking als bij de gelakte versie. Risol (Mohm) capaciteit (nF) TgD 1 2,42 0,0143 10¨6 2 2,4 0,0143 10¨6 3 2,43 0,0141 10¨6 4 2,42 0,0141 10¨6 5 2,38 0,014 10¨5 6 2,37 0,0143 10¨6 7 2,44 0,0141 10¨5 8 2,44 0,0138 10¨6 9 2,29 0,0143 10¨6 10 2,44 0,014 10¨5 (2n4 700V~ naakte versie voor AC doorslag)

Hier waren de condensatoren na doorslag ofwel meteen eraan of we verkregen meteen een slechte Risol (wat de bedoeling was):

nr1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Risol doorgeslaan (Mohm) op capaciteit TgD totaal eraan: 3000V voor 60s (programma liep vast) poot af door opstelling 37pF 0,0464 <1 1200V 56pF 0,016 10 1200V 130pF 0,0364 <1 1300V 2pF 0,0159 10 1300V 68pF 0,0947 10^2 1000V poot af door opstelling 180pF 0,0152 10^3 1300V 335pF 0,0172 10^2 1000V

Deze condensatoren plaatsen we vervolgens in de power dissipation opstelling, maar dit had geen enkel effect. => Niet te overlijden.

44

Kristof Vandeputte 7) Besluit: De naakte producten zijn hier de beste van de drie nieuwe producten en ook vergeleken met de oudere versie en de 4n7 300V~. Dit aangezien je er de grootste spanning kan aanleggen voor aleer je 10°C stijging hebt van de filmcondensator. Het is trouwens niet gelukt om deze producten te laten overlijden. De enigste waarvan dit mogelijk was, was bij de gelakte 2n4 700V~ voor CFL toepassing. Maar aangezien we zo’n manoeuvres moeten uithalen om de Risol wat te doen dalen en dan de condensator nog aan een overspanning te leggen bij de normale werkfrequentie van de CFL, kunnen we deze ook veilig verklaren. De nieuwe gepotte filmcondensator komt op de 2e plaats, omwille van het niet kunnen overlijden en de spanning die je eraan kan leggen tegen dat je 10°C stijging hebt. Bij de gepotte heb je het voordeel dat je duidelijke afmetingen van de condensator hebt en een groter oppervlakte voor warmte afgifte. Alhoewel de grotere oppervlakte van de gepotte condensator, die zorgt voor een groter warmte afgifte. Niet opweegt tegen het direct kunnen afgeven van de warmte van de naakte condensator. Dit komend door de isolatie rond de condensator (huisje + thermoharder). Tussen de 2 omhulde types is de gepotte dan weer beter door zijn grotere oppervlakte. Hierdoor kunnen we zeggen dat de nieuwe componenten goedgekeurd zijn om in een ballast en CFL te steken, juist rekening houdend met het feit van bij welk type ballast ze gebruikt worden. Want bij de ballast met een groter wattage, zullen er grotere spanningen voorkomen en dan zal men bij deze misschien best de gelakte versie mijden.

45

Kristof Vandeputte 7) BIJLAGE 7.1) Ballast 7.1.1) Inleiding Gas ontladingslampen, betekenen lampen die het principe gebruiken om een gas elektrisch geleidend te maken en daardoor licht te laten emitteren, zijn een relatieve oude techniek. Vooral fluorescente lampen stellen een groot verspreid lichtsysteem voor. Het is niet mogelijk om de lijnspanning rechtstreeks toe te passen op zo’n lamp, AC of DC, een hogere of lagere spanning. Traditioneel werkten deze lampen op AC of een zogenoemde magnetische ballast, die niet meer is dan een reactor of een smoorklep, om de lampstroom te begrenzen. In recente jaren, als de elektronica technieken opkwamen, was de binnenkomende hoofdfrequentie geconverteerd in een hogere frequentie. Gebruikelijk in een bereik van 20 kHz tot 80 kHz, om een lamp op te laten werken. De magnetische ballast methode creëert een zeer grote hoeveelheid inductieve reactieve energie, veelbeduidend de grootte van de actieve energie overschrijdend. Maar deze reactieve energie kan gemakkelijk en goedkoop gecompenseerd worden zonder enig risico van interferenties. De elektronische ballast mag geen substantiële hoeveelheden van de fundamentele reactieve energie produceren (displacement power factor DPF of cos φ). De ballast kan ontworpen worden om te werken op meerdere hoofdfrequenties, inclusief DC en verschillende spanningen, daarbij ook alle ingangsspanningen variaties compenserend. 7.1.2) Economie De elektronische ballasten verbruiken 25 tot 30% minder energie, dit heeft niet zoveel door de lagere interne verliezen in de ballast zelf te maken, maar door een efficiënte verbetering van de lamp (ongeveer 22% meer efficiënt dan hun conventionele tegenhangers en de lampen zelf gebruiken minder energie, omdat bij hoger frequentie gebruik de lampen niet doven gedurende de nulovergang), wanneer de lamp licht geeft bij een hogere frequentie toegevoerd van de uitgangsterminals van zo’n elektronische ballast. Voor deze redenen voeden ze minder energie in de lamp dan een magnetische ballast doet. Alhoewel elektronische ballasten verschillende keren duurder zijn dan de gewone magnetische modellen en veel vatbaarder zijn voor zekere storingen en zelf een bron van storingen kunnen zijn. De verlengde levensloop van de lamp met meer dan 50%, resulteert in een dramatische daling van de kosten in het vervangen van de lampen. In veel publieke installaties is er een standaard interval van 2-4 jaar vooraleer te vervangen. De aparte installatie en bedrading van conventionele ballasten en starters kunnen geëlimineerd worden en dus kunnnen bedradingskosten gereduceert worden. De meest belangrijkste besparingen worden gevormd door meerdere lamp verlichtingen.

46

Kristof Vandeputte Hier is maar 1 ballast nodig voor 2 of meerdere lampen. In de meeste gevallen heeft de complete ballast, inclusief de transformer en de converterende elektronica dezelfde afmetingen als een equivalente magnetisch één, maar het gewicht is één vijfde. 7.1.3) Omgeving Omdat ze dezelfde licht uitgang hebben als conventionele systemen, zullen lampen met een ballast tussen 25% en 30% minder energie verbruiken. Er zijn 2 redenen waarom ballasten ongeveer 22% meer energie efficiënt zijn dan hun conventionele tegenhangers en de lampen zelf minder energie verbruiken. Omdat hogere frequentie gebruik niet de lampen dooft gedurende nulovergang. Daarom zal de levensduur van de lamp met meer dan 50% verlengen. Een langere levensduur vermindert de hoeveelheid kwik en andere afval aanzienlijk. Door de langere levensduur van de lamp is de afval gereduceerd met 30%. Lamp afval van industriële, commerciële of publieke installaties moeten gerecycleerd worden als speciaal afval, maar aangezien gewone verbruikers kleine hoeveelheden kopen mogen zij die lampen wegdoen als gewoon afval. 7.1.4) Storingen De eerstgenoemde van deze twee stijlen van elektrische energie nemen: de directe rectificatie van de binnen komende AC, genereert een extreme periodieke stroompiek ergens in de omgeving van de maximumspanning, terwijl gedurende de rest van elke halve golf totaal geen stroom vloeit. Deze huidige golfvorm bevat een hoge harmonische inhoud, vooral van voor de 3e en zijn harmonischen, die toegevoegd worden aan de neutrale in plaats van elkaar te neutraliseren en een groep problemen veroorzaken die geanalyseerd werden en in detail beschreven werden in meerdere bronnen: neutrale overlading, oververhitting van de transformer, substantiële vervorming van de spanningsgolven als de netwerkimpedanties hoog zijn en in TN-C respectievelijk. TN-C-S systemen zijn permanent lopende stromen op de neutrale en dringen ook binnen in alle geaarde metaalwerk, inclusief de schermen van datalijnen. Daar kunnen ze bijkomende problemen veroorzaken, zoals magnetische stralende velden, corrosie van pijpleidingen en elektrodes aarden en vooral het mis gedragen en beschadigen van IT uitrusting. Terwijl deze harmonischen stromen in moderne kantoorgebouwen afkomstig van hun hoeveelheid pc’s, hun schermen en ondergeschikte elektronische ballasten onder 25W inclusief CFL’s, omdat hun beperkte gebruik alleen een kleinere fractie bijdraagt aan dit probleem. Alhoewel dat alle werkende fluorescente verlichting dit simpel principe volgt, zou het virtueel onmogelijk moeten zijn, voor welke reden de upgraded elektronische ballast techniek met elektronische power factor verbetering (PFC) was ontwikkeld. Eén bron zegt ongeveer 30-50% van de prijs voor een elektronische ballast wordt gespendeerd aan het vermijden van storingen. Het meeste van dit gaat duidelijk naar de PFC: De ingangsstroom van een CFL zonder PFC, 11W, heeft

47

Kristof Vandeputte ongeveer dezelfde crest waarde als dat van een ballast van 58W met PFC. De totale harmonische distorsie van de stromen is 80% in de eerstgenoemde, maar nauwelijks 19% in de laatstgenoemde. Nochtans was minder dan 12% die gemeten was met een magnetische ballast. Deze waarde is laag genoeg om geen harmonische verbonden problemen te hebben.

Fig.: Vergelijking CFL (links) met de elektronische ballast (rechts)

48

Kristof Vandeputte

Fig.: 3 elektronische ballasten van het oude type werkend op 3 fases

Fig.: De resulterende neutrale conductor stroom van de fase ladingen

Dit zal een oprijzing geven aan een ander type van storingen. Als de pulswijdte modulatie aan de ingangszijde de binnenkomende stroom <> in vele <>, dan is dit het equivalent die een grote frequentie stroom lost in het netwerk. Deze is grotendeels verzwakt, maar niet volledig verdwenen door een capacitieve filter aan de ingangszijde van elke elektronische ballast. Zodat de mogelijkheid van geleidende als gezonden storingen blijven. Het heeft gebeurd dat bijvoorbeeld, de frequentie 77 kHz was, gelijk aan dat van de Frankfurt golf zender die het tijdssignaal uitzond voor de atomische klok van Braunschweig. De interferentie veroorzaakte radiogecontroleerde klokken niet goed te werken binnenin een gebouw uitgerust met deze ballasten. Het schijnt dat typisch deze storingen gebeuren op 2 verschillende frequenties, duidelijk voor de HF transformer die de lamp stroom genereert en de elektronische power factor (vermogen factor) correctie werk op de verschillende klokfrequenties: De eerstgenoemde is verantwoordelijk voor de straling en de laatstgenoemde voor de voorspelde storingen. Deze hoge frequenties, aangezien hij niet sinusoïdaal is, bestaat theoretisch uit een oneindig aantal spectrums van harmonischen. Zodat de hoogste frequentie bijna gebeurt in de Megahertz wijdte. Ondertussen werden standaarden vrijlaten om de maximum 49

Kristof Vandeputte toegelaten niveaus van zo’n storingen te beperken. Ongelukkig zijn de testen volgens deze standaarden uitgevoerd door een individu in het lab op 1 sample van de ballast in kwestie, terwijl in het veld enkele honderden of zelfs duizenden werken op één plaats, zodat de storingslevels op zekere grootte optellen. Bijkomend bij dit alles, is er een frequentie kloof in de standaarden, met als gevolg een zekere afstand van frequenties latend zonder grenzen. Ingenieurs ontwerpen nu hun toepassingen op zo’n manier dat ze alle storingen in deze leegheid komen. Juist als alleen standaarden eraan toe zouden doen en niet storingen. Veel interferenties zijn zover informeel gerapporteerd, maar niet in rekening gebracht met de speciale markt structuur, aldus verschijnen ze nooit in printvorm.

50

Kristof Vandeputte

Fig.: Ingangsstroom van een elektronische ballast om verschillende tijd resoluties.

Fig.: Frequentiespectrum van dezelfde elektronische ballast

Inspecteurs en officiële opzieners rapporteren herhalend over een oscillatie van de spanningsamplitude in installaties waar er een grote dichtheid van elektronische ballasten is. Op het voedingspunt kan hetzelfde gerapporteerd worden met de 51

Kristof Vandeputte stroom, maar zonder tegenovergestelde fase, zodat deze stroomvariatie de bron moet zijn voor deze spanningsvariatie. Ze spreken van frequenties tot 3Hz, maar normaal gezien is dit maar 0,3Hz of zelfs veel minder dan dat (één periode per 30 seconden is typisch). Ze zien een samenhanging met de gebruikelijke capacitieve power factor die ze vinden in deze installaties, terwijl deze niet echt de oorzaak kan zijn. Echte elektronische ballasten hebben normaal een lichte capacitieve power factor en installaties zijn gebruikelijk niet gemeten of bekeken, zodat niemand realiseert dat de power factor correctie niet langer een correctie is, maar het tegenovergestelde van dat en zou uitgeschakeld moeten worden of afgebouwd worden. Maar een oscillatie op zo’n lage frequentie zou een zeer grote capaciteit en inductantie eisen. De automatische uitgangskracht controle van de ballasten kan de oorzaak zijn: Wanneer er een spanningszakking is voor een reden, zal de ingangsstroom van de ballast verhoogd moeten worden om de uitgangsenergie stabiel te houden en als het aandeel van totale energie dat in zo’n lichte uitrusting gaat hoog genoeg is, zal dit de inzakking tastbaar verhogen. De spanning zal blijven dalen en de totale stroom zal blijven stijgen tot de stijgende ingangsstroom van de ballast stopt door een daling van de ingangsstroom door sommige ladingen waar het daalt als de ingangsspanning daalt. Dit is zelfs aangeduid op de platen van de elektronische ballast. Nu het proces geïnverteerd is en de spanning start met stijgen. Het probleem wordt normaal gezien opgelost door de falende elektronische ballasten met magnetische te vervangen zonder enige capacitieve compensatie aan toe te voegen. Wanneer het aandeel van de magnetische ongeveer 1/3 bereikt, zullen niet alleen de elektronische falende ballasten stoppen, maar ook de spanningsoscillatie zal stoppen. Zo denken ze de verschuiving van de power factor lichtjes in het inductieve bereik te stoppen, de oplossing is, terwijl de echte uitleg waarschijnlijk is dat het gedrag van de lampen met magnetische ballasten invers is aan deze van elektronische: de ingangsstroom, zowel de actieve als de reactieve, zullen overproportioneel dalen als de ingangsspanning daalt. Een lineaire daling kan niet voldoende zijn als dat van een tegen compensatie om de oscillatie te stoppen. Een hoge frequentie expert heeft gerapporteerd dat hij enkele elektronische ballasten heeft getest en gevonden heeft dat hun HF uitgang frequentie ook varieert. Het springt periodiek naar en van tussen 2 frequentie banden, duidelijk opzettelijk, door het ontwerp. De achtergrond is waarschijnlijk dat de relevante standaard een zekere hoeveelheid stralende energie toelaat bij een bepaalde frequentieband, geïntegreerd over een gedefinieerde periode van tijd. Zodat deze standaard vermeden wordt door het verdelen van de storingen over een groter bereik van frequenties.

52

Kristof Vandeputte 7.2) De fluorescente lamp: De fluorescente lamp, of lage druk kwik damp lamp, is bij verre de meest verspreide van alle ontsteeklampen types gebruikt voor generale verlichting de dag van vandaag. De introductie van de compacte fluorescente lamp heeft geleid tot zijn applicatie in huishoudelijke gebouwen. Het meest voorkomende type van fluorescente lampen is buisvormig lineair in vorm bereik van 600mm (18W) tot 1500mm (58W) in lengte. De ontladingsbuis heeft een elektrode verzegeld in elk uiteinde en is gevuld met een inert gas en een kleine hoeveelheid kwik, de laatstgenoemde is bedekt met een mix van fluorescente poeders. Deze converteren de ultraviolette radiatie van de kwik ontlading om in langere golflengtes binnenin het zichtbare bereik. Verschillende fluorescente poeders of fosfors zijn beschikbaar voor elk gewenste kleur temperatuur en kleur vertaling karakteristieken.

Eigenlijk, de lineaire buisvormige fluorescente lamp heeft al 3 generaties ondergaan zover. Ze kunnen als volgt verdeeld worden: a) De 1st generatie is de T12 lamp met een diameter van 38mm (1.5’’) en met een lengte bepaald door het wattage (20W, 30W, 40W en 65W). Deze zogehete ‘oude’ of ‘vette/dikke’ lampen zijn gevestigd door de elektromagnetische ballasten en zijn nu het meest vervangen door T8 lampen. De doeltreffendheid is ongeveer 70 lm/W. b) De 2e generatie is T8 krypton gevulde lamp met een diameter van 26mm (1’’) en met een lengte bepaald door het wattage (18W tot 70W). Deze zogehete ‘dunne’ lampen kunnen gevestigt worden door zowel elektromagnetische als elektronische ballasten met een extra voordeel van verbetering van doeltreffendheid en lumen onderhoud. Doeltreffendheid is ongeveer 80 lm/W. (Lumen is de eenheid waarmee de lichtopbrengst van een lamp wordt gedefinieerd. Alle lampen gebruiken de hoeveelheid lumen die zij kunnen opbrengen als maatstaf. Een 100-watt gloeilamp brengt bijvoorbeeld 1750 lumens op) c) De 3e generatie is de nieuwe T5 lamp met een diameter van 16mm (5/8’’) en G5 basis. De T5 lampen zijn beschikbaar met een uitgang van 4W, 6W, 8W en 13W voor over 30 jaar. Alhoewel deze lamptypes hoofdzakelijk gebruikt worden voor meubilair, lichtreclames en tafelverlichting. Een paar jaar geleden, met de nieuwe T5

53

Kristof Vandeputte lampen met hogere wattage waren ontworpen,die door hun superieure verlichtingsefficiëntie uitgangen (doeltreffendheid ongeveer 100 lm/W), vertegenwoordigt een serieuze competitie voor de klassieke fluorescente lamp. De standaard wattage van de nieuwe T5 lampen is 14W, 21W, 28W en 35W. Verbeterde economie is bereikt door de hoge frequentie werking met elektronische ballasten, die gespecifieerd zijn in principe voor deze lamptypes. Te wijten aan hun smalle vorm, zal de nieuwe T5 lamp innovatie toestaan in verlichtingsontwerpen als in verdere reductie in behuizingsafmetingen. In bijvoeging, de lamp lengte van alle types is 50mm korter dan hun T12/T8 tegenhangers en is gedimensioneerd om hun toe te laten precies te passen in het gebruikelijke grid (600mm en 1200mm) van opgehangen plafonds. Niet zoals een gloeiende lamp, een fluorescente lamp kan niet direct verbonden worden met het net. Sommige toestellen begrenzen de elektrische stroom vloeiend door het moet in circuit bevat zitten. Dit toestel kan een elektromagnetische ballast (conventioneel of lage verlies) met starter of elektronische ballast werking op hoge frequentie. Om starten te vergemakkelijken, de elektrodes van de meeste fluorescente lampen zijn voorverwarmd voor ontsteking, die bekomen word door gebruik van een preheat spanning. Het optimale functioneren van fluorescente lampen hangt grotendeels af van de eigenschappen van de gebruikte controlekoppeling. Ze kunnen niet deftig functioneren op de net spanning en zekere elektrische toestellen moeten ingekapseld worden in het lamp circuit. De controlekoppeling doet meerdere functies: • Begrensd en stabiliseert de lampstroom • Verzekert de lamp werking voortdurend gedurende zero crossing van de spanning bij iedere halve cyclus • Voorziet ontsteekspanning voor de initiële lamp start Om gecontroleerde energie te voorzien aan de preheat lamp elektrodes gedurende de ontsteking Om de andere vereisten te voldoen zoals een hoge vermogen dissipatie te verzekeren, begrenzen van de harmonische distortie, de EMI onderdrukken, de short-circuit begrenzen en de startstroom begrenzen, een lang leven hebben, lage verliezen en laag geluidsniveau, enz.

54

Kristof Vandeputte 7.3) Gasontladingslampen • Hoge druk gasontladingslampen (HID lampen) • Hoge druk kwikdamplamp • Menglichtlamp • Hoge druk Natriumlamp • Metaalhalogenide lampen • Keramische metaalhalogenide lamp Ontlading in gassen

In een gas ontsteking, zoals een fluorescente lamp veroorzaakt stroom een verkleining van de weerstand. Dit komt doordat er meer en meer elektronen en ionen vloeien door een zekere ruimte. Ze botsen tegen meer atomen die elektronen bevriezen, met als gevolg meer geladen deeltjes creërend (Ioniserende botsing, opwekkende botsing)

Zodat de stroom op zijn eentje zal klimmen in de gasontlading, zolang er voldoende spanning is. Als de stroom in een fluorescente lamp niet gecontroleerd is kan het verschillende elektrische componenten opblazen. Een ballast kan de veranderingen in de stroom alleen maar afremmen, niet stoppen. Maar de wisselstroom die een fluorescent licht voedt keert zichzelf constant om, zodat de ballast alleen onderhevig moet zijn aan een toenemende stroom in de zekere richting voor een kleine hoeveelheid van tijd. Moderne ballast ontwerpen gebruiken geavanceerde elektronica om de vloeiende stroom meer precies te kunnen regelen door het elektrisch circuit. Omdat ze een hogere cyclus snelheid gebruiken, neem je geen geflikker of een storend geluid waar komend van de elektronische ballast. Verschillende lampen vereisen gespecialiseerde ballast ontwerpen om de specifieke spanning en stroom niveau’s te kunnen onderhouden nodig voor de variërende buis ontwerpen. Fluorescente lampen komen in alle vormen en groottes, maar ze werken allemaal volgens het zelfde basisprincipe: een elektrische stroom stimuleert kwik(zilver) atomen, die veroorzaken de vrijlating van ultraviolette fotonen. Deze fotonen stimuleren dan een fosfor, die zichtbare lichtfotonen emitteert.

55

Kristof Vandeputte Verloop van de doorslagspanning – Wet van Paschen

Potentiaalverdeling langs een neonbuis

Normale glimontlading met constante spanningsval in de neonbuis

56

Kristof Vandeputte Fluorescentielampen of lagedruk kwikdamplamp Constructie van een fluorescentielamp

Philips recycleerbare TLDlamp

Constructie van een fluorescentielamp

57

Kristof Vandeputte Elektronisch voorschakelapparaat

Elektronisch voorschakelapparaat met dimmer

58

Kristof Vandeputte 7.4) Meetresultaten bij 36kHz van de 4n7 1600V~ gekartelde folie gepotte versie 36kHz => L = 4,159mH 350 Vrms nr4

0s 22,9

30s 24,5

1m 26,2

5m 32,6

10m 34,6

15m 34,6

30s-0s 1,6

1m-30s 1,7

5m-1m 6,4

10m-5m 2

15m10m 0

15m-0s 11,7

30s 24,2

1m 25,6

5m 30,5

10m 31,5

15m 31,5

30s-0s 1,3

1m-30s 1,4

5m-1m 4,9

10m-5m 1

15m10m 0

15m-0s 8,6

36kHz => L = 4,159mH 450 Vrms nr7

0s 22,9

P = ω * tg d * 0,36 * Vrms¨2 * C NR4 350 Vrms P = ω * C * tg δ * Vrms² delta T = 11,7

2*pi*36000*0,001*350²*4,7*10^-9*0,36 0,854701 (10°/delta T)

P (W) 0,046883 0,040071

NR7 450 Vrms P = ω * C * tg δ * Vrms² delta T = 8,6

2*pi*36000*0,0005*450²*4,7*10^-9*0,36 1,162791 (10°/delta T)

P (W) 0,038751 0,045059

Vrms^2

Vrms

104700,9 323,5751

Vrms^2

Vrms

235465,1 485,2475

59

Kristof Vandeputte 7.5) Meetresultaten bij 100kHz 4n7 1600V~ gekartelde folie gepotte versie 100kHz => L = 0,539mH 200 Vrms nr4 nr7

0s 22,8 22,9

30s 24,7 23,5

1m 26,3 24,3

5m 31,6 26,8

10m 32,7 27,6

15m 32,7 27,7

30s-0s 1,9 0,6

1m-30s 1,6 0,8

5m-1m 5,3 2,5

10m-5m 1,1 0,8

15m10m 0 0,1 GEM:

15m-0s 9,9 4,8 7,35

30s 26,1 24,2

1m 28,9 25,5

5m 37,1 30,3

10m 38,6 31,5

15m 38,8 31,5

30s-0s 3,3 1,5

1m-30s 2,8 1,3

5m-1m 8,2 4,8

10m-5m 1,5 1,2

15m10m 0,2 0 GEM:

15m-0s 16 8,8 12,4

30s 28,8 26

1m 33,5 29,1

5m 46 35,7

10m 46,7 36,2

15m 47 36,3

30s-0s 6 3,3

1m-30s 4,7 3,1

5m-1m 12,5 6,6

10m-5m 0,7 0,5

15m10m 0,3 0,1 GEM:

15m-0s 24,2 13,6 18,9

100kHz => L = 0,539mH 250 Vrms nr4 nr7

0s 22,8 22,7

100kHz => L = 0,539mH 300 Vrms nr4 nr7

0s 22,8 22,7

GEM: 200 Vrms P = ω * C * tg δ * Vrms² delta T = 7,35

2*pi*100000*0,00075*200²*4,7*10^-9 1,360544

P (W) 0,088593 0,120534

250 Vrms P = ω * C * tg δ * Vrms² delta T = 12,4

2*pi*100000*0,00075*250²*4,7*10^-9 0,806452

P (W) 0,138426 0,111634

2*pi*100000*0,00075*300²*4,7*10^-9 0,529101

P (W) 0,199334 0,105468

300 Vrms P = ω * C * tg δ * Vrms² delta T = 18,9

Vrms 54421,77 233,2847 Vrms 50403,23 224,5066 Vrms 47619,05 218,2179

60

Kristof Vandeputte

NR4 200 Vrms P = ω * C * tg δ * Vrms² delta T = 9,9

P (W) 0,118124 0,119317

Vrms^2

2*pi*100000*0,0010*200²*4,7*10^-9 1,010101

250 Vrms P = ω * C * tg δ * Vrms² delta T = 16

P (W) 0,184568 0,115355

Vrms^2

2*pi*100000*0,001*250²*4,7*10^-9 0,625

300 Vrms P = ω * C * tg δ * Vrms² delta T = 24,2

P (W) 0,265779 0,109826

Vrms^2

2*pi*100000*0,001*300²*4,7*10^-9 0,413223

NR7 200 Vrms P = ω * C * tg δ * Vrms² delta T = 4,8

P (W) 0,059062 0,123046

Vrms^2

2*pi*100000*0,0005*200²*4,7*10^-9 2,083333

250 Vrms P = ω * C * tg δ * Vrms² delta T = 8,8

Vrms^2

2*pi*100000*0,0005*250²*4,7*10^-9 1,136364

P (W) 0,092284 0,104868

300 Vrms P = ω * C * tg δ * Vrms² delta T = 13,6

P (W) 0,132889 0,097713

Vrms^2

2*pi*100000*0,0005*300²*4,7*10^-9 0,735294

Vrms

40404,04 201,0076 Vrms

39062,5 197,6424 Vrms

37190,08 192,8473

Vrms

83333,33 288,6751 Vrms

71022,73 266,5009 Vrms

66176,47 257,2479

61

Kristof Vandeputte 8) De literatuurlijst 8.1) Tijdschriftartikels VANCLEEMPUT, Marianne, September/October 2004. Applications and Technical Consideration for Metallized Film Capacitors. PASSIVE COMPONENT INDUSTRY 8.2) Niet-gepubliceerde documenten JACQUES; NEERINCK; HOUBAERT; LARMUSEAU; DEFERME; DEMEY; DE SLOOVERE; DIOPERE; STEVENS; VANTHOURNOUT; ESPEEL; SAMBAER; BUSSCHAERT; VAN BUTSELE; COMMEYNE; ESPEEL; DE CORTE; GOOS. 1993. Handboek voor de ontwikkelaar foliecondensatoren. Niet-gepubliceerde cursus, Philips Components. 8.3) Databank De K-drive en het netwerk van VISHAY BCcomponents. 8.4) WWW-sites IR21571: T5 Lamp Ballast Using Voltage-Mode Filament Heating www.irf.com Power Quality & EMC "Condensatorbatterijen en harmonischen" www.vei.be/tad.htm RIBARICH, T; THOMPSON, E; MATHUR, A. IR21571: Dual Lamp Ballast: Parallel Configuration www.irf.com RIBARICH, T; THOMPSON, E; MATHUR, A. IR21571: Dual Lamp Series Configuration www.irf.com RIBARICH, T; THOMPSON. IR2159: 40W/PL-L Lamp Dimmable Ballast www.irf.com IR21571 Ballast Control IC Design Kit www.irf.com IR2159 Dimming Ballast Control IC Design Kit www.irf.com RIBARICH, T. IR2159: 250W Metal Halide HID Dimmable Ballast www.irf.com

62

Kristof Vandeputte RIBARICH, T; THOMPSON. IR21571: T5 Lamp Ballast Using Voltage-Mode Filament Heating www.irf.com CONTENTI, Cecilia; SEKINE, Masaschi; GREEN, Peter. IR2167: Universal Input Dual Lamp Ballast Parallel Configuration forT8/32W and T8/36W www.irf.com Electronic Ballast(E-B) for HID Lamps www.digitalballast.com www.pwm.pe.kr RIBARICH, Thomas; RIBARICH, John J. A New Procedure for High-Frequency Electronic Ballast Design www.irf.com/technical-info/whitepaper/newprocedure.pdf Film Capacitors for Lighting Applications Profile 2002 http://www.epcos.com POWIRLIGHTTM REFERENCE DESIGN : COMPACT BALLAST www.irf.com RIBARICH, Thomas; RIBARICH, John J. A New High-Frequency Fluorescent Lamp Model www.irf.com/technical-info/whitepaper/hflampmodel.pdf WOOD, Peter. Fluorescent Ballast Design Using Passive P.F.C. and Crest Factor Control http://www.powerdesigners.com/InfoWeb/design_center/Appnotes_Archive/an998.shtm RIBARICH, Thomas; RIBARICH, John J, October 5-9, 1997. A New Procedure for High-Frequency Electronic Ballast Design www.irf.com/technical-info/whitepaper/newprocedure.pdf

Improving Pulse Handling Capability of Metalized Polypropylene Films Capacitors ieeexplore.ieee.org/iel5/ 7586/20675/00955969.pdf?arnumber=955969 RIBARICH, Thomas, June 22-24, 1999. A Systems Approach to Ballast IC Design www.irf.com/technical-info/ whitepaper/ballasticsystems.pdf

63

Kristof Vandeputte JANZEN, Gerd. HF METINGEN AAN ONBEKENDE RINGKERNEN. http://www.dse.nl/~pi4hmd/menu/varicon/v6170/v67/ringkern.htm http://home.hetnet.nl/~dick-kleijer/lckring.htm Compact Fluorescent Lamps (CFL's) http://www.nwbuildnet.com/stores/bm/lighting/cfl.html September 2004. VIPower: 18 - 23W ELECTRONIC BALLAST FOR REMOVABLE TUBE http://www.st.com/stonline/books/ascii/docs/10712.h Electronic Ballasts Using the Cost-Saving IR215X Drivers www.irf.com/technical-info/appnotes/an-995a.pdf Beroepsfederatie van de producenten en verdelers van elektriciteit in België www.bfe-fpe.be/specifications/C7_09_NL.p Verlichting verlichting.pagina.nl/ LIN, Ray-Lee, November 26, 2001. Piezoelectric Transformer Characterization and Application of Electronic Ballast http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-12062001-005832/unrestricted/ETDRayLeeLin.pdf WU KWOK-TIN, Martin. T5 Lamps and Luminaires – The 3rd Generation in Office Lighting http://www.emsd.gov.hk/emsd/e_download/pee/t5lampe.pdf

64