Standardizace statického odporu a energie potřebná pro předžhavení elektrod zářivky

Rok / Year: 2011

Svazek / Volume: 13

Číslo / Number: 2

Standardizace statického odporu a energie potřebná pro předžhavení elektrod zářivky Standardization of static resistance and required energy for electrode of linear fluorescent tube preheating Veronika Šolcová, Miroslav Novák [email protected], [email protected] Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií TU v Liberci

Abstrakt: Teoretická část se zabývá optimálním předžhavením elektrod zářivky během procesu startování, které významně ovlivňuje její životnost a uvádí obecný popis standardizace statického odporu elektrod během žhavení a množstvíenergie potřebné pro optimální předžhavení. Praktická část prezentuje měření zmíněných parametrů pro svítidla s lineární zářivkou 36 W a elektromagnetickým předřadníkem s paralelní a sériovou kompenzací účiníku.

Abstract: This article deals with an optimal electrode preheating of the linear fluorescent tube during the lamp start. The preheating significantly affects the lamp life expectancy. The article mentions general description of the electrode static resistance standardization as well as the amount of energy necessary for proper preheating. The experiment gives results of mentioned parameters for a lineal fluorescent tube 36 W. The tube was supplied with electro-magnetic ballast with serial and parallel power factor compensation.

2011/12 – 21. 3. 2011

VOL.13, NO.2, APRIL 2011

Standardizace statického odporu a energie potřebná pro předžhavení elektrod zářivky Veronika Šolcová1, Miroslav Novák1 1

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií TU v Liberci Email: [email protected], [email protected]

Abstrakt – Teoretická část se zabývá optimálním předžhavením elektrod zářivky během procesu startování, které významně ovlivňuje její životnost a uvádí obecný popis standardizace statického odporu elektrod během žhavení a množství energie potřebné pro optimální předžhavení. Praktická část prezentuje měření zmíněných parametrů pro svítidla s lineární zářivkou 36 W a elektromagnetickým předřadníkem s paralelní a sériovou kompenzací účiníku.

1 Úvod V centru zájmu stále stojí snaha o prodloužení životnosti zářivek. Nejvíce pozornosti budí termoemisní vrstva katod. Dřívější publikace se zabývaly především její optimální tloušťkou a složením, současné články se soustřeďují na optimální tepelné poměry katod při startech [1], [2], [3], [4], [5], [6] a při stmívání [7], [8], které výrazně ovlivňují životnost zářivky. Řeší se optimální nažhavení během teplého startu [9], zkrácení života při studených startech [10], [11] a optimalizace startu při současném stmívání [12]. Všechny komponenty osvětlovacího tělesa proto podléhají standardizaci. Aktuální vývoj v oblasti osvětlování zářivkami dokládají i nově revidované normy [13, 14]. Zmíněné prodloužení životnosti zářivek převážně závisí na řádném předžhavení elektrod zářivky ještě před samotným zapálením výboje. Toto předžhavení zajišťuje předřadník, přičemž správnost jeho funkce lze ověřit měřením teploty elektrod na konci žhavení. Při nedostatečně nažhavených elektrodách dochází ke studeným startům, jež mají za následek poškození emisní vrstvy elektrod, způsobené vytrháváním materiálu aktivní vrstvy vysokým gradientem elektrostatického pole. Při značně předžhavených elektrodách dochází ke zvýšenému odpařování aktivní vrstvy a opět ke zkrácení životnosti zářivky [15], [16]. V současné době existují dva základní typy předřadníků zářivek, a to klasický indukční předřadník, sestávající z tlumivky a startéru, a elektronický předřadník, jehož základní součástí je měnič frekvence, který zvyšuje pracovní frekvenci výboje ze síťové na 25÷50 kHz. Pro dosažení co nejdelší životnosti zářivky musí však být zaručena správná teplota elektrod při zapálení výboje bez ohledu na typ předřadníku. Přes veškeré výhody elektronických předřadníků, je značná část trhu stále věnována prodeji předřadníků elektromagnetických [17]. Kromě ekonomických, mohou být dalším důvodem rozdílné vlastnosti. Elektromagnetický předřadník je robustnější – lépe odolává přepětím v napájecí síti i vyšším teplotám

v osvětlovacích tělesech a má proto vyšší spolehlivost i životnost.

2 Optimální předžhavení elektrod zářivky Elektrody zářivky jsou wolframové elektrody, zatavené na každém konci výbojové trubice, na kterých je nanesena emisní hmota na bázi oxidů barya, vápníku, stroncia a popř. dalších aditiv, přičemž relativní množství těchto oxidů se může měnit dle výrobce a typu zářivky. Elektrody zářivky se žhaví na teplotu, při které jsou schopny emitovat elektrony. Tato teplota u všech elektrod přesahuje hodnotu 900 K, v některých literaturách je uveden teplotní rozsah mezi 700 °C a 1000 °C. Protože měření této teploty je poměrně obtížné, dle [4] se mnohá doporučení a normy zaměřují na rovnocenné parametry, jako jsou napětí a elektrický odpor na elektrodách. I přesto, že americké normy ANSI [18] stanovují limity pro napětí na elektrodách během předžhavení a během ustáleného provozního stavu, dle [4] považují současné články vyhodnocení statického odporu elektrod během žhavení za mnohem lepší způsob než vyhodnocení napětí na elektrodách. Studie japonských autorů M. Myoja a I. Okuna „Thermionic emission characteristic on current-controlled preheating lamp cathodes”, poukázala na možnost vyhodnocení množství energie potřebné pro předžhavení elektrod jako dalšího vypovídajícího parametru. 2.1 Standardizace statického odporu Využitím teorému o teplotní závislosti odporu lze teplotu při emisi odvodit z poměru odporů wolframového vinutí RH/RC, kde RH představuje odpor wolframového vinutí (vlákna) při zvýšené teplotě a RC představuje odpor vlákna při pokojové teplotě. K emisi elektronů dochází, navýší-li se odpor RC alespoň o čtyřnásobek, tj. RH/RC ≥ 4, viz obr. 2.1. Příslušná teplota je určena voltampérovou charakteristikou katody. Typický příklad je uveden v literatuře [9] na obrázku 2.2, který vyjadřuje vztah mezi napětím a proudem katody u kompaktní zářivkové trubice s označením typu patice 2G11 a příkonu 36 W za předpokladu, kdy měření proběhlo na hotové zářivce, při pokojové teplotě, za statických podmínek a bez výboje na zářivce. Horní a dolní meze jsou předepsány výrobcem. Uvedenou závislost lze jednoduše přepočítat na závislost mezi poměrem odporů RH/RC a energetickými ztrátami na katodě, viz obr. 2.3.

12 – 1

2011/12 – 21. 3. 2011


12

meze o něco rozdílnější, nabývají hodnot 4,25 (odpovídá cca 700 °C) a 6,25 (odpovídá 1000 °C). Aby nedošlo k překročení obou zmíněných mezí, bylo odsouhlaseno, že by elektrody měly být standardizovány za teploty, při které je poměr odporů RH/RC = 4,75 (viz obr. 2.3), určený zprůměrováním hodnot obou mezí. Příklady těchto standardů, dle IEC 60901 [18], uvádí následující tabulka 2.1, kde sloupec „testovací proud“ znamená proud, při kterém se poměr odporů pohybuje v rozsahu 4,75 ±0,5. Při znalosti tohoto poměru lze z uvedené tabulky odvodit odpor katody při pokojové teplotě RC, jehož hodnota vychází u některých zářivek velmi nízko, tj. 2 Ω a méně.

poměr odporů RH /RC

10 8 6 4 2 0 0

500

1000

2000

1500

teplota elektrody ϑ [K]

Tabulka 2.1: Standardizovaný odpor katody a testovací proud pro hotovou zářivku [9]

úbytek napětí na elektrodě ∆Ue [V]

Obrázek 2.1: Závislost poměru odporů RH/RC na teplotě wolframového vlákna [9]

PATICE

[W]

10 8

2G7

6 4 2G11 2 0 200

300

400

600

500

žhavící proud elektrodou ielektrody [mA] G24q

Obrázek 2.2: Voltampérová charakteristika katody 2G11 36 W [9]

LIST

TEST.

ODPOR KATODY ZA TEPLA [Ω]

NORMY

PROUD

901-IEC

[A]

JMENOVITÝ

MIN

MAX

5

2005

0.130

50

37.5

62.5

7

2007

0.130

50

37.5

62.5

9

2009

0.130

50

37.5

62.5

11

2011

0.130

50

37.5

62.5

18

2218

0.340

12

9

15

24

2224

0.340

12

9

15

36

2236

0.385

11

8.2

13.8

40

6240

0.340

12

9

15

55

6255

0.500

8

6

10

10

2510

0.140

50

37.5

62.5

13

2513

0.140

50

37.5

62.5

18

2518

0.190

26

19.5

32.5

26

2516

0.310

13

9.7

16.3

18

3118

0.340

12

9

15

8

24

3124

0.340

12

9

15

7

36

3136

0.385

11

8.2

13.8

9


VÝKON

2G10

6

13

3413

0.140

50

37.5

62.5

5

GX24q

18

3418

0.190

26

19.5

35.2

4

26

3426

0.310

13

9.7

16.3

3

32

7432

0.310

13

9.7

16.3

42

7442

0.310

13

9.7

16.3

2 1 0

1

2

3

4

5

6

žhavící příkon P [W]

Obrázek 2.3: Závislost poměru odporů RH/RC na výkonu pro katodu 2G11 36 W [9] Křivka udává výkon, který je potřebný k zachování určité teploty na katodě, tzn., že při teplotě elektrody pod hodnotou RH/RC ≈ 4, není zajištěno správné předžhavení a dochází ke zkrácení životnosti. Při teplotách nad hodnotou RH/RC > 5,5, dochází naopak k nadměrnému vypařování emisní hmoty, které vede ke zčernání konců zářivky. Dle [4], [19] jsou tyto

Dle amerických norem, např. normy ANSI C 82.11 – 1993, je také specifikován minimální čas pro předžhavení elektrod. Tento limit je nastaven pro zajištění řádného předžhavení elektrod před samotným zapálením výboje, aby se předešlo případnému poškození zářivky vlivem nahromadění velkého množství energie (např. vysokého proudu nebo napětí na elektrodách) během pokusu o získání co nejvyšší teploty vláken. Příliš dlouhý interval, resp. zpoždění, mezi zapnutím a zapálením zářivky, by tak mohl způsobit její špatnou funkci nebo selhání. Ačkoliv není horní hranice intervalu stanovena, neměla by být delší než 2 s. A protože nesmí být časový interval dle norem kratší než 500 ms, předpokládá se, že se dopo-

12 – 2

2011/12 – 21. 3. 2011


hodnota poměru odporů RHC

ručený časový interval, přijatelný pro většinu aplikací, bude pohybovat v rozmezí 500 ms a 1,5 s. Na základě doporučených hodnot RHC, kde RHC = RH/RC, a intervalu pro předžhavení, lze stanovit provozní oblast pro předžhavení, která je vyznačena na obrázku 2.4.

6.25

4.25

608.75 mA 566.16 mA 507.03 mA 454.93 mA 410.88 mA

0 0

0.5

na elektrodách zářivky. [9] použila tuto studii pro realizaci svého měření. V [9] byl čas potřebný na předžhavení elektrod omezen na interval 0,4 s ≤ t ≤ 3 s, přičemž v časech pod 0,4 s, by teplota měla záviset na kvalitě emisní vrstvy elektrody. To znamená, že v místech, kde bude chybět emisní hmota, bude mít teplota strmější průběh na rozdíl od míst emisní vrstvou pokrytých. Rozložení teploty tak nebude homogenní. Čas delší než 3 s nebyl uvažován, protože předřadníky s takto dlouhým časem pro předžhavení se na trhu nevyskytují. Měření energie bylo prováděno na několika rozdílných elektrodách kompaktních zářivek při poměru RH/RC = 4 v různých časech pro předžhavení. Příklad je uveden na obrázku 2.6. Ten vyjadřuje závislost energie potřebné pro předžhavení elektrod na čase pro zářivky typu PL-C 26 W zářivku. Jsou zde uvedeny oba způsoby předžhavení, tj. evropský způsob, kde jsou elektrody předehřívány konstantním proudem

1.5

P(t) = I 2 ⋅ Relektrod (t) ,

(2.3)

doba žhavení t [s]

a americký způsob, kde je energie pro předžhavení elektrod dodávána prostřednictvím konstantního napěťového zdroje, tj.

Obrázek 2.4: Provozní oblast doporučená pro předžhavení elektrod zářivky [4]

P(t) = U 2 /Relektrod (t) .

Graficky znázorněné hodnoty RHC lze vyjádřit lineárně jako funkce času tak, jak je znázorněno na obrázku 2.5. Protože v čase t = 0, je poměr RHC = 1, pak uvedená závislost může být reprezentována obecným vztahem

Energie pro předžhavení při RH/RC = 4 energie předžhavení E [J]

R HC = 1 + r ⋅ t .

(2.1)

Protože hodnoty RHC na obrázku 2.5 potvrzují, že koeficient r je závislý na efektivní hodnotě proudu tekoucího elektrodami, může být obecná formulace (2.1) zapsána ve tvaru R HC (ielektrody,RMS ,t) = 1 + r(i elektrody,RMS ) ⋅ t .

(2.2)

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0

8 hodnota poměru odporů RHC

(2.4)

0.5

1

1.5

2

2.5


6

Obrázek 2.6: Energie pro předžhavení kompaktních zářivek, konkrétně pro PL-C 26 W [9]

4

Uvedenou lineární závislost lze vyjádřit vztahem E(t) = Qelektrody + Pztrát ⋅ t .

608.75 mA 566.16 mA 507.03 mA 454.93 mA 410.88 mA

2

Z obrázku je patrné, že v čase t = 0 se oba lineární průběhy protnou. Hodnota Qelektrody vyjadřuje teplo obsažené na elektrodě a lze ji určit vztahem

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

(2.5)

3

Qelektrody = C ⋅ ∆T ,


Obrázek 2.5: Hodnoty RHC v závislosti na čase pro různé hodnoty proudu tekoucího elektrodami [4]

kde

2.2 Množství energie pro předžhavení elektrod zářivky Ve výše uváděné studii provedli M. Myojo a I. Okuno výzkum, který se týkal množství energie potřebné pro správné předžhavení elektrod zářivky. Parametrem bylo zvoleno napětí

(2.6)

C

je tepelná kapacita wolframového vlákna elektrody v J.K-1; C = m.c

∆T

je rozdíl teplot korespondující s odporem vlákna za studena RC a po ohřátí RH.

Spád obou průběhů lze vysvětlit energetickými ztrátami při předžhavení. Spády obou průběhů jsou rozdílné, přičemž spád

12 – 3

2011/12 – 21. 3. 2011


u předžhavení zajišťovaném konstantním napětím je vždy vyšší než které je zajišťované proudem. Tuto skutečnost je možné objasnit grafem na obrázku 2.7, na kterém je znázorněna závislost poměru odporů na čase potřebném pro přežhavení buď s konstantním proudem, nebo s konstantním napětím. Křivka zároveň vyjadřuje vývoj teploty na elektrodě. Poměr odporů RH/RC v závislosti na čase


4

3

2 1

0 0

0.25

0.5

0.75

1


Obrázek 2.7: Navýšení poměru odporů RH/RC u PL – C 26 W elektrody v závislosti na čase; při žhavení s konstantním proudem 460 mA nebo s konstantním napětím 3,8 V [9] Spád křivky pro předžhavení s konstantním napětím se nejprve strmě zvyšuje a po delším čase rapidně klesá. Od té doby je poměr odporů RH/RC ve vztahu k teplotě na elektrodě lineární. Počáteční strmost je dána vztahem pro vstupní výkon (2.4). Na počátku je odpor R (t) při pokojové teplotě malý, což má za následek vysokou hodnotu výkonu a rychlý nárůst teploty. Během předžhavení se odpor zvyšuje s činitelem 4, a proto má křivka na konci malou strmost. Pro předžhavení zajišťované konstantním proudem je situace odlišná. Zde platí vztah (2.3). Na počátku je odpor nízký, tím je malý i vstupní výkon a dochází k pozvolnému nárůstu teploty. Se vzrůstajícím odporem se zvyšuje výkon a také teplota elektrody. Důsledkem tedy je, že pro žhavící obvod řízený napětím je průměrná teplota během periody předžhavení vyšší než pro žhavící obvod řízený proudem. Vyšší průměrná teplota během periody pro předžhavení znamená vyšší tepelné ztráty.

s paralelní kompenzací účiníku a pro dva typy tlumivek L1, L2 v různých kategoriích účinnosti (C, B), přičemž výsledky v tomto článku jsou uvedeny pouze pro jednu z nich, tj. L1(C). Měření tak proběhlo celkem pro pět různých napětí v zapojení s DUO a s paralelní kompenzací účiníku, s tlumivkami L1 a L2 a bez kompenzace s tlumivkou L1 s označením CpL1, CpL2, CsL1, CsL2 a L1. Pro statistické vyhodnocení se měřilo ve dvou výběrových souborech: a) na jedné zářivce, b) na 12 zářivkách, přičemž v případě výběrového souboru jedné zářivky ad a) bylo provedeno 1250 měření a v případě souboru s 12 zářivkami ad b) 3000 měření. Z každého měření byly několik sekund po přivedení napájecího napětí zaznamenány oscilogramy obvodových veličin a intenzity světelného toku trubice. Realizace měření proběhla na 18 kanálovém přístroji EMU-2 se vzorkovací frekvencí 12,8 kHz, ovládaným skriptem v jazyce Delphi. Zároveň byl vytvořen skript v jazyce MATLAB pro vyhledávání jednotlivých stavů během startu zářivky a pro automatickou detekci přechodů mezi nimi, který pracuje s výše uvedenými zaznamenanými oscilogramy obvodových veličin. Ve stavu žhavení program vyhodnocuje, kromě jiných veličin, odpory vláken a energii na jejich předžhavení dle následujících vztahů: RC =

u lamp − u starter ilamp

RH =

u lamp − u starter ilamp

2T po začátku žhavení

(3.1)

2T před koncem žhavení

(3.2)

t = end

∫ (u

EZ =

lamp

− u starter ) ⋅ ilamp dt .

(3.3)

t =begin

Ve stavu svícení je zjišťována intenzita světelného toku po zapálení dle vztahu: E zap =

kde

RC, RH

3 Měření předžhavení elektrod při běžném startu zářivky

1 ∆t

t =begin +T

∫ e dt

(lm)

(3.4)

t =begin

odpor vlákna při pokojové teplotě a po nažhavení

V rámci analýzy startů zářivkového osvětlení s elektromagnetickým předřadníkem, realizované na modelu osvětlovací sítě na Ústavu mechatroniky a technické informatiky Technické univerzity v Liberci, byla také ověřena výše zmíněná teorie, tj. stanovení poměru odporů RH/RC v závislosti na celkové době žhavení a na napájecím napětí, a zjištění energie pro předžhavení v závislosti na celkové době žhavení. Protože kvalitativním hodnocením správného předžhavení by mohla být také intenzita generovaného světla zářivkou těsně po zapálení výboje, byl vyhodnocen i tento parametr. Celková analýza startů byla prováděna pro jmenovité napětí 230 V s odchylkami ±5 % a ±10 %, v zapojení s DUO a

ulamp, ustarter

napětí na tělese a startéru

ilamp

proud tekoucí tělesem

EZ

energie žhavení

t

čas

T

perioda

Ezap

intenzita sv. toku po zapálení.

Vyhodnocené výsledky jsou graficky znázorněny na následujících obrázcích. Vždy jsou porovnány obě kompenzace účiníku a to jak pro soubor 12 svítidel, tak i pro jedno svítidlo.

12 – 4

2011/12 – 21. 3. 2011


Na obr. 3.1, 3.2, jsou vyneseny závislosti poměru odporu teplé a studené elektrody zářivky RH/RC v závislosti na celkové době žhavení. Odpor elektrody byl vyhodnocen ze zaznamenaných oscilogramů. Analýza odporu studené elektrody proběhla po připojení napájecího napětí z prvních 60 ms po začátku prvního žhavení. Přitom prvních 20 ms bylo přeskočeno, protože jsou zde obvodové veličiny ovlivněny přechodovým dějem. Obdobně, určení odporu za tepla se realizovalo z 60 ms posledního úseku žhavení, těsně před definitivním zapálením výboje zářivky, viz vzorce 3.1, 3.2. 7

5

4

7

3 Doporučená oblast 207 V; Iz = 477 mA 218 V; Iz = 493 mA 230 V; Iz = 558 mA 241 V; Iz = 615 mA 253 V; Iz = 686 mA

2

1

CpL1 0 0

1

2

3

4

5

6

poměr odporů RH / RC


6

sobem, je, kromě oblasti průchodu proudu a napětí nulou, poměrně stabilní. Odpor elektrody je v grafech reprezentován mediánem. Zároveň jsou vyznačeny doporučené oblasti žhavení dle [19]. Z obrázků je patrné, že zářivka při paralelní kompenzaci není zapálena, pokud poměr odporů přibližně nepřekročí hodnotu 3. Výjimkou jsou starty s napájecím napětím 253 V, kde dochází, díky vyššímu napětí, ke startům s nedostatečně nažhavenými elektrodami. V případě sériové větve DUO kompenzace, je třetina startů provedena s velmi málo nažhavenými elektrodami. Důsledkem je snížení doby života zářivek provozovaných se sériovou kompenzací účiníku. Na obr. 3.3, 3.4, jsou výsledky pro výběrový soubor a) jedno svítidlo, které odpovídají výběrovému souboru b). U sériové kompenzace prakticky chybí zápaly napoprvé s nedostatečným nažhavením. Nažhavení elektrody před zapálením výboje zářivky je pro zachování dlouhé životnosti klíčové.

6

celková doba žhavení TZ [s]

Obrázek 3.1: Poměr odporu RH/RC v závislosti na celkové době žhavení pro soubor svítidel 1÷12 pro paralelní kompenzaci účiníku s tlumivkou L1

5

4


2

1

CpL1

7 0 0

1

3

4

5

6

Obrázek 3.3: Poměr odporu RH/RC pro v závislosti na celkové době žhavení pro svítidlo 11, paralelní kompenzace účiníku s tlumivkou L1

5

4

7


2

1

CsL1 0 0

2


1

2

3

4

5

6



6

6


Obrázek 3.2: Poměr odporu RH/RC v závislosti na celkové době žhavení pro soubor svítidel 1÷12 pro sériovou kompenzaci účiníku s tlumivkou L1 Úbytek napětí na elektrodách byl zjištěn z rozdílu napětí na zářivkové trubici a napětí na startéru, tj. na druhých vývodech elektrod zářivky. Úbytek je tak dán pro obě vlákna zapojených do série. Toto uspořádání vyplynulo z celkové analýzy startovacího procesu zářivky. Z přímo naměřeného proudu, tekoucího elektrodami během žhavení, a ze zjištěných hodnot napětí, byla v každém vzorku oscilogramu vypočtena okamžitá hodnota odporu elektrody. Odpor elektrody, vyjádřený tímto způ-

5

4


2

1

CsL1 0 0

1

2

3

4

5

6


Obrázek 3.4: Poměr odporu RH/RC pro v závislosti na celkové době žhavení pro svítidlo 11, sériová kompenzace účiníku s tlumivkou L1

12 – 5

2011/12 – 21. 3. 2011

VOL.13, NO.2, APRIL 2011 40

energie žhavení do obou vláken [J]

Obr. 3.5, 3.6, zobrazuje závislost středních hodnot poměru odporů RH/RC na napájecím napětí pro testovaná zapojení. Úroveň předžhavení je vyšší a blíží se více optimu u paralelní kompenzace. U sériové kompenzace je trend závislosti na napětí opačný. Se vzrůstajícím napětím úroveň nažhavení klesá, což není pro zářivku dobré. S rostoucím napětím totiž roste gradient elektrického pole v okolí elektrody, který podporuje vytrhávání materiálu termoemisní vrstvy. 5 4.8


4.6 4.4

CpL1 CpL2 CsL1 CsL2 L1

30

Iz Iz Iz Iz Iz

= = = = =

477 493 558 615 686

mA mA mA mA mA

25 20 15 10 5 0

CpL1 0

0.5

1

1.5 2 2.5 3 3.5 Celkova doba žhavení Tz (s)

4.2

4

4.5

5


4

Obrázek 3.7: Energie žhavení pro soubor svítidel 1÷12 v závislosti na celkové době žhavení pro paralelní kompenzaci účiníku s tlumivkou L1

3.8 3.6

CsL1 40

3.4

3 207


3.2

svítidla 1-12 218

230

241

253

napětí zdroje UTĚLESO [V]

Obrázek 3.5: Závislost poměru odporů teplé a studené katody RH/RC (na počátku a na konci startu zářivky) na napájecím napětí pro různé způsoby kompenzace účiníku, výběrový soubor svítidla 1÷12 (10×12×5×5 měření) 5 4.8 4.6 4.4

CpL1 CpL2 CsL1 CsL2 L1

30

Iz Iz Iz Iz Iz

= = = = =

388 mA 407 mA 424 mA 442 mA 459 mA

25 20 15 10 5

CsL1 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5


Obrázek 3.8: Energie žhavení pro soubor svítidel 1÷12 v závislosti na celkové době žhavení pro sériovou kompenzaci účiníku s tlumivkou L1

4.2 4 3.8

50

svítido 11

3.6 3.4 3.2 3 207

207 V; 218 V; 230 V; 241 V; 253 V;

35

0



207 V; 218 V; 230 V; 241 V; 253 V;

35

218

230

241

253

napětí zdroje UTĚLESO [V]

Obrázek 3.6: Závislost poměru odporů teplé a studené katody RH/RC (na počátku a na konci startu zářivky) na napájecím napětí pro různé způsoby kompenzace účiníku, výběrový soubor svítidlo 11 (50×5×5 měření) Zajímavé je i porovnání energií dodaných do elektrod při žhavení, viz obr. 3.7, 3.8. U sériové kompenzace je energie nažhavení mnohem méně závislá na napájecím napětí. U výběrového souboru a) jedna trubice, obr. 3.9, 3.10, opět chybí pro sériovou kompenzaci zapálení s nedostatečným předžhavením.

207 V; 218 V; 230 V; 241 V; 253 V;

45 40 35

Iz Iz Iz Iz Iz

= = = = =

476 mA 514 mA 560 mA 618 mA 690 mA

30 25 20 15 10 5 0

CpL1 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5


Obrázek 3.9: Energie žhavení pro svítidlo 11 v závislosti na celkové době žhavení pro paralelní kompenzaci účiníku s tlumivkou L1

12 – 6

2011/12 – 21. 3. 2011

VOL.13, NO.2, APRIL 2011 30

50


45 40 35

Iz Iz Iz Iz Iz

= = = = =

391 mA 410 mA 427 mA 446 mA 463 mA

intenzita světla po startu E [kLux]

207 V; 218 V; 230 V; 241 V; 253 V;

30 25 20 15 10

25

20

15

10

5

5 0

CsL1

CsL1 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

207 V; 218 V; 230 V; 241 V; 253 V;

0

5

0

5

10

15

20

25

Iz Iz Iz Iz Iz

30

= = = = =

388 407 424 442 459

mA mA mA mA mA

35

40



Obrázek 3.10: Energie žhavení pro svítidlo 11 v závislosti na celkové době žhavení pro sériovou kompenzaci účiníku s tlumivkou L1

Obrázek 3.12: Intenzita osvětlení pro soubor svítidel 1÷12 v závislosti na celkové energii žhavení obou vláken pro sériovou kompenzaci účiníku s tlumivkou L1 30


Kvalitativním hodnocením správného předžhavení může být intenzita světla generovaného zářivkou těsně po zapálení výboje. Intenzita světla byla proto vyhodnocena jako střední hodnota z 20 ms těsně po zapálení výboje. Na obr. 3.11, u paralelní kompenzace účiníku, je dobře patrné, že v případech startu s nízkou energií, dodanou do elektrod při žhavení, intenzita světla rychle klesá. Z oscilogramů je vidět, že se výboj rychle stabilizuje a začne dosahovat téměř normálních hodnot intenzity osvětlení už ve třetí periodě po zapálení výboje. Výjimkou jsou případy s nedostatečně nažhavenými elektrodami, kde ke stabilizaci výboje dochází desítky period. V grafu jsou zřetelné dvě odloučené oblasti pro nižší hodnoty napětí, přičemž hodnoty s intenzitou generovaného světla pod 10 kLux jsou způsobeny svítidly č. 11 a 12.

25

20

15

10

5

CpL1 0

0

5

CpL1

10

Iz Iz Iz Iz Iz

= = = = =

15 20 25 30 Energie žhavení do obou vláken (J)

476 mA 514 mA 560 mA 618 mA 690 mA

35

40


30

Obrázek 3.13: Intenzita osvětlení pro svítidlo 11 v závislosti na celkové energii žhavení obou vláken pro paralelní kompenzaci účiníku s tlumivkou L1

25

20

30 15



207 V; 218 V; 230 V; 241 V; 253 V;

10 207 V; 218 V; 230 V; 241 V; 253 V;

5

CpL1 0

0

5

10

15

20

25

Iz Iz Iz Iz Iz

30

= = = = =

477 mA 493 mA 558 mA 615 mA 686 mA

35

40


Obrázek 3.11: Intenzita osvětlení pro soubor svítidel 1÷12 v závislosti na celkové energii žhavení obou vláken pro paralelní kompenzaci účiníku s tlumivkou L1 Intenzita generovaného světla u sériové kompenzace, obr. 3.12, téměř nezávisí na napájecím napětí. Je opět rozdělena na dvě oblasti. Část hodnot odpovídá zápalům s nízkým předžhavením s energií žhavení < 2,5 J.

25

20

15

10 207 V; 218 V; 230 V; 241 V; 253 V;

5

CsL1 0

0

5

10

15

20

25

Iz Iz Iz Iz Iz

30

= = = = =

391 mA 410 mA 427 mA 446 mA 463 mA

35

40


Obrázek 3.14: Intenzita osvětlení pro svítidlo 11 v závislosti na celkové energii žhavení obou vláken pro sériovou kompenzaci účiníku s tlumivkou L1

12 – 7

2011/12 – 21. 3. 2011


Data pro výběrový soubor a) jedno svítidlo, na obr. 3.13, 3.14, dokládají, že oblast s nízkou intenzitou generovaného světla pro zapojení CpL1 odpovídá skutečně svítidlu 11. Obdobně u sériové kompenzace zde chybí hodnoty s nízkou energií předžhavení. Lze tedy konstatovat, že parametry komponent svítidla 11 se liší od ostatních svítidel.

4 Závěr Uvedené výsledky vypovídají o tom, že sériová větev svítidla s DUO kompenzací je schopna lépe zapálit a udržet výboj v zářivce. To je způsobeno napětím na kompenzačním kondenzátoru, které se přičítá k napětí v napájecí síti. Díky tomu tak snadněji dochází k zapálení výboje zářivky s nedostatečně nažhavenými elektrodami, s poměrem odporů teplé ke studené katodě RH/RC < 2. Optimální hodnota je přitom RH/RC > 4,25. Svítidla s paralelní kompenzací prokázala výbornou stabilitu zapalovacího procesu. Dobré předžhavení elektrod zářivky a stabilní doba zapálení jsou ve prospěch životnosti zářivkových trubic. U tohoto typu kompenzace je výraznější závislost kvality předžhavení na napájecím napětí. Při podpětí v napájecí síti -10 %, protíná úroveň předžhavení oblast optimálních hodnot, což bude mít za následek zvýšené opotřebování elektrod zářivky.

5 Dedikace Tato práce vznikla za podpory studentského grantu SGS 2010/7821 Interaktivní mechatronické systémy v technické kybernetice.

6 Literatura

In IEEE Conferences: Plasma Science. Norfolk: IEEE, 2010. s. 1. ISBN 978-1-4244-5474-7. [7] Final Report: Year 2. In Reducing Barriers to Use of High efficiency Lighting Systems. New York: Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute, 2003. s. 107. [8]TETRI, E. Effect of dimming and cathode heating on lamp life of fluorescent lamps. Helsinki, Finland, 2001. 120 s. Doctoral Thesis. Helsinki University of Technology, Lighting Laboratory. [9] DORLEIJN, J.W.F.; GOUD, L.H. Standardisation of the static resistances of fluorescent lamp cathodes and new data for preheating. In IEEE Conferences: Industry Applications. Pittsburgh: IEEE, 2002, vol. 1, s. 665 - 672. ISBN 0-7803-7420-7 [10] TETRI, E. Profitability of Switching off Fluorescent Lamps: Take-a-break. Right Light [online]. 1997, vol. 1, no. 4, s. 113 – 116, [cit. 2011-02-23]. Dostupný z WWW: . [11] BIERMAN, A., et al. Testing a Lamp Life Predictor for Instant-Start Fluorescent Systems. In IESNA Annual Conference Technical Papers. New York: IESNA, 2002. s. 141-156. [12] DORLEIJN, J.W.F.; GOUD, L.H. Standardized data for dimming of fluorescent lamps. In IEEE Conferences: Industry Applications. Pittsburgh: IEEE, 2002, vol. 1, s. 673 - 679. ISBN 0-7803-7420-7. [13] IEC 60081 Ed. 5.1 b: Double-capped fluorescent lamps – Performance specifications. Geneva, Switzerland : IEC, 2002. 316 s.

[1] JI, Y., et al. Compatibility testing of fluorescent lamp and ballast systems. IEEE Journals: Industry Applications. 1999, vol. 35, no. 6, s. 1271 - 1276. ISSN 0093-9994.

[14] IEC 60901 Ed 2.2 : Single-capped fluorescent lamps Performance specifications. Geneva, Switzerland: IEC, 2001. 418 s.

[2] JI, Y.; DAVIS, R. Starting performance of high-frequency electronic ballasts for four-foot fluorescent lamps. IEEE Journals: Industry Applications. 1997, vol. 33, no. 1, s. 234 - 238. ISSN 0093-9994.

[15] KINSKÝ, V. Zářivky. Praha: SNTL, 1964. 116 s.

[3] HAMMER, E.E.; HAAS, D. Phot'ocell enhanced technique for measuring starting electrode temperatures of fluorescent lamps. In IEEE Conferences: Industry Applications. New Orleans: IEEE, 1997, vol. 3, s. 2313 - 2333. ISBN 0-7803-4067-1.

[17] ELKOVO-Čepelík; OSRAM. Poměr prodeje elektronických a elektromagnetických předřadníků. Veletrh elektrotechniky a elektroniky Ampér 2008. Praha: [ústní sdělení], 2008.

[4] WAKABAYASHI, F.T., et al. Setting the Preheating Process of Electronic Ballasts for Hot-Cathode Fluorescent Lamps, considering the RH/RC Ratio. In IEEE Conferences: IEEE Industrial Electronics. Paris: IEEE, 2006. s. 2396 - 2401 . ISBN 1-4244-0390-1. [5] BUSO, D., et al. Predictive Evaluation of Fluorescent Lamp Lifetime. In IEEE Conferences: Industry Applications. Houston: IEEE, 2009. s. 1 - 7 . ISBN 978-1-42443475-6 [6] TLAIS, Z., et al. Auxiliary heating influence on barium loss from fluorescent lamp electrode under HF operation.

[16] WAYMOUTH, J. F. Electric Discharge Lamps. Cambridge, Massachusetts: M.I.T. Press, 1971. 384 s. ISBN 0-262-23048-8.

[18] ANSI C82.11: High-Frequency Fluorescent Lamp Ballats. Virginia, USA: ANSI 2002. [19] WAKABAYASHI, F. T., et al. Setting the Preheating and Steady-State Operation of Electronic Ballasts, Considering Electrodes of Hot-Cathode Fluorescent Lamps. IEEE Journals: Power Electronics. 2007, vol. 22, no. 3, s. 899 911. ISSN 0885-8993. [20] DAŠEK, M. Osvětlování vnitřních prostorů: Praktické rady nejen pro elektrikáře. Praha: SEVEn, 2002. 95 s. ISBN 80-238-9285-1.

12 – 8

Standardizace statického odporu a energie potřebná pro předžhavení elektrod zářivky

Recommend Documents