Pojava End of Life (EOL) efekta kod Ex e fluorescentnih svjetiljki Occurrence of End of Life (EOL) effects on Ex e fluorescent lights

Transcription

1 Ana Hađak: Pojava End of Life (EOL) efekta kod Ex e fluorescentnih svjetiljki (e1 e5) Pojava End of Life (EOL) efekta kod Ex e fluorescentnih svjetiljki Occurrence of End of Life (EOL) effects on Ex e fluorescent lights standardnih i halogenih žarulja grije prolaskom struje i pri tome emitira kontinuirani spektar zračenja. Drugi se princip zasniva na pražnjenju elektrona i naziva se luminiscentnim zračenjem. Takvo zračenje nastaje kada elektroni prelaze iz jedne energetske razine u drugu, pri čemu se oslobađa zračenje određene energije i određene valne duljine, UV zračenje. Ana Hađak, dipl. ing. el. Ex-Agencija, Baštijanova bb, Zagreb a.hadjak@ex-agencija.hr Sažetak Ovaj članak opisuje pojavu EOL efekta koja se javlja pri kraju životnog vijeka fluorescentne svjetiljke. Objašnjavajući princip samog rada fluorescentne svjetiljke, opisuje se kako i zbog čega dolazi do te pojave, te se navode ispitivanja kojima se provjerava prikladnost i pouzdanost rješenja zaštite uporabom odgovarajuće elektroničke prigušnice. Ključne riječi povećana sigurnost, fluorescentne svjetiljke, fotoluminiscencija, elektronička prigušnica, EOL End of Life efekt, ispitivanje asimetričnim pulsom i ispitivanje asimetričnim naponom Summary This article describes the EOL effect that occurs at the end of the lifespan of fluorescent lights. Describing the principle of how fluorescent lights work explains how and why this effect occurs, and also specifies the tests that check the suitability and reliability of the protection by using the appropriate electronic ballasts. Key words increased safety, fluorescent lights, photoluminescence, electronic ballasts, "End of Life" effect, Asymmetric Pulse test and Asymmetric Power test I. UVOD Svjetlost je elektromagnetsko zračenje valnih duljina od 10-8 do 10-3 m. Vidljivi dio spektra nazivamo optičkim zračenjem. Iznad i ispod vidljivog dijela spektra nalazi se infracrveno (IR 790 nm do 1 mm) odnosno ultraljubičasto zračenje (UV 100 do 380 nm). Slika 1. Elektromagnetski spektar [9] Postoje dva principa stvaranja umjetnog svjetla. Prvi je princip termičkog zračenja kod kojeg se užarena nit Slika 2. Luminiscencija pražnjenje elektrona; fotoluminiscencija dobivanje svjetla [8] K - atomska jezgra H - elektron u nižoj orbiti e - - uzbudni elektron A* - uzbuđeni elektron u višoj orbiti R - emitirano zračenje pri prelasku A* u nižu orbitu II. PRINCIP RADA FLUO SVJETILJKE FOTOLUMINISCENTNO ZRAČENJE Fluorescentne svjetiljke su jako rasprostranjene i proizvode gotovo dvije trećine ukupnog umjetnog svjetla u Europi [8]. One pripadaju skupini izvora svjetla niskog pritiska. Princip dobivanja svjetlosne energije zasniva se na neelastičnom sudaru elektrona. Elektroni izbačeni s katode sudaraju se s atomima žive u plinu. Pri tom srazu predaju višak svoje kinetičke energije elektronima u vanjskoj orbiti elektrona i uzbuđeni elektroni preskaču na višu energetsku razinu. S obzirom na to da je ta razina nestabilna, elektron se vraća na nižu razinu i pritom emitira foton diskretnih valnih duljina, ovisno o kemijskom sastavu emisijske tvari (UV zračenje). Fotone zatim upijaju elektroni u fluorescentnom sloju koji se nalazi s unutrašnje strane cijevi, koji emitiraju fotone u području vidljivom ljudskom oku. Razlika u energiji između ulaznog elektrona s katode i izlaznog fotona s fluorescentnog sloja pretvara se u zagrijavanje fluorescentnog sloja. Ovaj princip dobivanja umjetnog svjetla naziva se fotoluminiscencijom.

2 Ana Hađak: Pojava End of Life (EOL) efekta kod Ex e fluorescentnih svjetiljki (e2 e5) Slika 3. Prikaz unutrašnjosti fluorescentne cijevi [8] A. Uloga balasta Slika 4. Fotografija krajeva cijevi i njezinih sastavnih dijelova: katoda, katodni zaslon, podnožak, kontaktne nožice Iako lampe koje rade na principu izboja u plinu imaju velike prednosti u odnosu na lampe sa žarnom niti zbog ekonomičnosti i dugotrajnosti, one zahtijevaju uporabu prigušnice zbog svoje negativne U-I karakteristike. Slika 5. Grafički prikaz ovisnosti napona o struji [6] a) fluo cijev direktno spojena na DC izvor, b) cijev u seriji s otporom Krivulja na slici 5.a) prikazuje odnos između napona na krajevima fluo cijevi i struje kroz cijev (cijev napajana DC izvorom) i potvrđuje obrnuto proporcionalnu ovisnost. Za točke u grafu desno i gore od krivulje vrijedi da je promjena gustoće elektrona u jedinici vremena, dn e /dt > 0, dok je za točke lijevo i ispod krivulje dn e /dt < 0. Broj slobodnih elektrona smanjuje se s vremenom. Sama krivulja sastoji se od točaka za koje vrijedi dn e /dt = 0 i dv/di < 0. Tok funkcije nakon što dođe do izboja u cijevi je negativan. Negativan dv/di uzrokuje probleme u radu lampe. Općenito, potreban je puno veći napon da bi se postigla ionizacija plina nego radni napon koji se nalazi u domeni gdje vrijedi dn e /dt > 0. To je područje u kojem broj ioniziranih elektrona u odnosu na broj "potrošenih" stalno raste. Struja izboja plina nekontrolirano raste. Zbog toga se lampa ne može direktno spojiti na izvor napona, nego se spaja u seriji s impedancijom. S obzirom na to da otpornički balasti za posljedicu imaju velike gubitke, kao balast se upotrebljavaju impedancije. Elektronički balasti su u skorije vrijeme zamijenili magnetne prigušnice. Magnetni balasti rade na niskoj frekvenciji. Svaku poluperiodu dolazi do novog izboja u fluo cijevi. Budući da vrijeme izboja traje oko 1 ms, a to je manje

3 Ana Hađak: Pojava End of Life (EOL) efekta kod Ex e fluorescentnih svjetiljki (e3 e5) od vremena trajanja poluperiode, sa svakom poluperiodom napona ponovno dolazi do proboja u plinu i paljenja lampe, što u konačnosti rezultira titranjem svjetla. Također, to nepovoljno utječe na materijal kojim je obložena elektroda. Pri svakom proboju na krajevima cijevi javlja se vršni napon veći od radnog koji dodatno utječe na pokrov elektrode, oštećuje ga. Elektronički balasti rade na principu konstantne struje. Strujni krug povećava ili smanjuje napon da bi održao konstantnu struju kroz fluo cijev. Dok napon ne dosegne maksimalnu dopuštenu vrijednost, balast održava konstantnu struju. III. POJAVA EOL-a Pojava EOL greške kod fluo lampi uvelike ovisi o samom načinu njihove uporabe. Norma IEC u tč definira dopuštene izvore svjetla koji se mogu izvesti u protueksplozijskoj zaštiti povećana sigurnost Ex e. Pa tako se u tom zahtjevu navodi ograničenje na način rada fluo svjetiljke. U eksplozivnim atmosferama dopuštena je uporaba isključivo fluorescentnih svjetiljki koje startaju bez predgrijanja katoda (pinovi cijevi moraju biti kratko spojeni), način rada poznat kao COLD START. Razlog tomu je ograničenje temperature na grlu svjetiljke. Kod fluo svjetiljki postoje tri varijante pojave EOL efekta. A. Gubitak žive Tijekom životnoga vijeka lampe količina žive postupno se gubi s obzirom na to da se ona polako apsorbira u staklo cijevi, fosforni premaz i elektrode. U prošlosti ovo nije bio problem jer je količina žive u novim lampama bila znatno veća nego danas (veća od realnih potreba). Danas, s obzirom na brigu za okoliš, količina žive u lampama odgovara potrebama, ovisno o očekivanom životnom vijeku lampe. U slučaju ove greške, gubitka žive u lampama, u početku se produljuje vrijeme postizanja 100-postotne izlazne vrijednosti osvjetljenja. Kada živa nestane, argon preuzima funkciju izboja, svjetlost promijeni boju i postane ružičasta. B. Gubitak odnosno slabljenje fosfornog sloja Tijekom uporabe lampe fosforni sloj se gubi s unutrašnje površine cijevi. Nakon otprilike radnih sati lampa gubi 50% na svojoj propusnosti, svjetlost polako tamni, gubi na oštrini i jasnoći. Lampa i dalje radi, ali svjetlost postaje zatamnjena, a lampa neučinkovita. Proces je polagan i teško se primjećuje. Korisnik najčešće postane svjestan problema kada se pokraj stare nađe potpuno nova lampa. Ova je pojava najizražajnija na krajevima same cijevi te se javlja i kao posljedica oštećenja emisijskog sloja na katodi. Slika 6. Zatamnjenje na krajevima cijevi [7] Pojave EOL-a opisane pod A i B kod lampe nemaju za posljedicu direktno povećanje temperature u potencijalno eksplozivnoj atmosferi, nego samo uzrokuju neučinkovitost lampe. Sljedeća pojava predstavlja potencijalnu opasnost za paljenje eksplozivne atmosfere. C. Oštećenje odnosno gubitak emisijskog sloja Kod svakog metala ispod površine postoje jedan ili dva elektrona koji se mogu lagano odvojiti od atoma. Dakle, postoji golema količina slobodnih elektrona koji se mogu jednostavno kretati poput molekula plina. Povećanjem temperature povećava se i njihova kinetička energija koja se djelomično predaje pri sudaru istih s drugim atomima i drugim elektronima. Sloj emisijskog materijala na katodi izrađen je od barija, stroncija i kalcijeva oksida. Tijekom normalnog životnog vijeka i uporabe lampe površinski sloj se troši (oštećuje) i to rezultira greškom kod lampe. Emisijski sloj na katodama potreban je da bi se omogućilo elektronima da termičkom emisijom prodru u plin. Sloj se polako troši bombardiranjem elektronima i ionima žive tijekom rada cijevi. Ali najveći dio se troši kao posljedica čestog paljenja lampe u režimu startanja s hladnom katodom, bez predgrijanja katode. Lampe koje rade u periodu kraćem od tri sata u pravilu ostaju bez emisijskog sloja prije neke druge greške. Kada emisijski sloj potpuno nestane, katoda ne može predati dovoljnu količinu elektrona u plin lampe da bi se ostvario izboj pri nazivnom naponu izboja. U slučaju da balast nema zaštitu, on ne bi isključio lampu s napona, nego bi davao cijevi još veći napon dok ne bi došlo do izboja.

4 Ana Hađak: Pojava End of Life (EOL) efekta kod Ex e fluorescentnih svjetiljki (e4 e5) Taj povećani napon uzrokovao bi povećanje temperature na katodi, odnosno na krajevima cijevi. Ta temperatura oštećuje elektrode do njihova potpunog uništenja ili do puknuća stakla i gubitka niskog pritiska plina i prekidanja izboja. Ta se temperatura može prenijeti na grlo lampe i uzrokovati prekomjerno grijanje, taljenje materijala od kojeg je napravljeno grlo. Slika 7. Oštećenja na grlu nastala zbog visoke temperature [5] IV. POSLJEDICE EOL EFEKTA I ZAHTJEVI NORME IEC ZA ISPITIVANJE ELEKTRONIČKIH PRIGUŠNICA Kao posljedica EOL fenomena nastaje asimetrični DC naponski oblik duž cijevi. Ovo se uobičajeno naziva ispravljačkim efektom. Ex e lampe obično rabe T8 cijevi (25-mm dijametar). Kod dužih lampi ova je pojava izraženija. Kada katoda cijevi postane iscrpljena ili se ošteti, potreban je veći napon na njoj da bi osigurala dovoljan broj elektrona kako bi lampa normalno radila. U većini slučajeva jedna katoda se oštećuje prije druge. Uvećani napon koncentrira se na toj oštećenoj katodi. To znači da zbog povećane snage lokalno dolazi do pregrijavanja tog dijela cijevi i priključka preko kojeg se pregrijavanje prenosi na držač cijevi, grlo. Obično taj događaj brzo uništava katodu i plin u cijevi te se lampa ne može više uključiti. Pregrijavanje površine cijevi može dovesti do prekoračenja dopuštene površinske temperature, odnosno temperature temperaturnog razreda, slika 7. Zadnje izdanje norme IEC prošireno je zahtjevima za dodatna ispitivanja balasta na EOL grešku simulirajući parametre EOL efekta. Točka norme zahtijeva ograničenje potencijalno disipirane snage na kraju fluo cijevi na 10 W. Ta se vrijednost smatra sigurnom gornjom granicom za temperaturni razred T4 i maksimalnu temperaturu ambijenta od 60 C. Ispitivanje se provodi za T8, T10 i T12 cijevi. Balasti u skladu s normom IEC moraju sadržavati zaštite koje detektiraju EOL grešku. U slučaju da se lampa ne može upaliti u nekoliko sekundi, balast mora isključiti lampu s napona, a ne pokušavati ponovno upaliti fluo cijev. Ako lampa radi konstantno bez gašenja, zaštita mora prepoznati trenutak kada parametri prijeđu granične vrijednosti i isključiti lampu. U oba primjera, ako se radi o lampi s dvije ili više fluo cijevi, u slučaju gašenja jedne cijevi to ne smije imati utjecaj na preostale cijevi. Slika 8. Shema spoja za ispitivanje Asymmetric Pulse test [1]

5 Ana Hađak: Pojava End of Life (EOL) efekta kod Ex e fluorescentnih svjetiljki (e5 e5) A. Asymmetric Pulse test Opis procedure ispitivanja Balast se spaja na stezaljke J1, J2, a cijev na J3, J4. Zatvaraju se sklopke S1 i S4, a S2 se postavlja u poziciju A. Balast je uključen i lampa se grije u periodu od 5 min. Zatvara se S3, otvara S1 i čeka se 30 s. Mjeri se suma disipirane energije na otpornicima R1A-R1C i R2A i R2B i diodama D5 D8. Ako ta vrijednost prelazi 10 W, a balast nije isključio lampu, balast nije zadovoljio ispitivanje. Ako je zaštitni krug balasta isključio lampu, balast se ponovno provjerava i u položaju B. Balast mora isključiti lampu u oba položaja pri vrijednosti snage od 10 W. B. Asymmetric Power test Opis procedure ispitivanja Za ispitivanje prema dodatku H2 norme IEC balast se spaja na stezaljke G-H prema shemi na slici 9. R1 se postavlja na minimalnu moguću vrijednost. Pali se fluo cijev i dopušta se njezino grijanje u periodu od 5 min. Vrijednost R1 se povećava u periodu od 15 s da se dobije snaga na otporniku od 20 W. Balast mora isključiti lampu. Ponavlja se postupak kako bi se postigla vrijednost snage na otporniku od 10 W. Balast mora isključiti lampu pri toj vrijednost i u položaju A i B. V. ZAKLJUČAK EOL je česta i neminovna pojava koja nastaje starenjem fluo cijevi. Najopasnija je ako dođe do gubitka emisijskog sloja na katodi. Nastane li oštećenje elektrode, temperatura u tom području može dosegnuti i 800 C u vrlo kratkom roku. Zbog visoke temperature žica elektrode može se otrgnuti, pasti na staklo i rastopiti ga. U tom slučaju odmah dolazi do prestanka izboja. Ovaj scenarij događa se u manje od 1% slučajeva. Ako se žica elektrode ošteti, ali ne padne na staklo, izboj se može provoditi u idućih s. Rezultirajuća temperatura može iznositi i do 300 C. Posljedično, staklo slabi na tom mjestu, a prsten elektroda spušta se prema staklenoj cijevi. Ako zaštitni prsten (katodni zaslon) dođe u kontakt sa žicom elektrode, izboj se može održavati satima. Temperatura kontakata do kojih može doći eksplozivna atmosfera po principu zaštite povećana sigurnost može prijeći dopuštenu graničnu vrijednost temperaturnog razreda. Rješenje za ovaj problem je prikladna EOL zaštita u elektroničkim balastima koja detektira EOL pojavu i na vrijeme isključuje lampu. Provedenim ispitivanjima potvrđuje se da ćemo dobiti zaštitu koja će efikasno spriječiti degradaciju zaštite povećana sigurnost i omogućiti izbjegavanje mogućih katastrofalnih posljedica. LITERATURA Slika 9. Shema spoja za ispitivanje Asymmetric Power test [1] [1] IEC Ed. 4.0: Explosive atmospheres Part 7: Equipment protection by increased safety "e" [2] R. Kulessa: End-of-life effect of explosion-protected luminaires with fluorescent lamps intended for zone 1 PTB. [3] Doc No Analysing the causes of blackening ends of fluorescent lamps, COSINE DEVELOPMENT, February, [4] End of Life (EOL) Chalmit Lighting prezentacija [5] P. Heyse: End of-life problems with fluorescent lighting, [6] EXPERIMENT Electronic Ballast, Electronic Ballast for Fluorescent Lamps, September 18, [7] End of Life (EOL) Victor Lighting prezentacija [8] S. Krajcar, A. Šribar: Svjetlotehničke veličine i jedinice, OSRAM d.o.o. [9] E. Generalić, g+zračenja Slika 10. ExLAB oprema za ispitivanje elektroničkih prigušnica