Karakterisering en modellering van gasontladingslampen met een hoogspanning-testsysteem

Name: Peter Tant

When: 29/11/2010 14:00
Language: nl

Waar: aula Arenbergkasteel, 01.07, Kasteelpark Arenberg 1, 3001 Heverlee

• Prof. dr. ir. Geert Deconinck (promotor)
• Prof. dr. ir. Johan Driesen (promotor)

English version below

De spanning-stroomkarakteristiek van gasontladingslampen is sterk niet-lineair en bestaat uit een aantal afzonderlijke werkingsgebieden die soms door hoge spanningsniveaus gekenmerkt worden. Hogedrukgasontladingslampen (HID lampen) vereisen bijvoorbeeld een hoge ontsteekspanning (van meerdere kilovolt) om te starten, en in het bijzonder om te herstarten nadat de lamp werd gedoofd. Koude kathode fluorescentielampen (Cold CathodeFluorescent Lamps, of CCFLs) werken in het glimontladingsgebied, en worden gewoonlijk aangestuurd met hoogfrequente sinusoïdale spanningsvormenmet een hoge amplitude. Het doel van dit werk is om via experimenten enmodellen de eigenschappen van gasontladingslampen bij hoge spanningsniveaus te bestuderen en te karakteriseren. Er wordt onderzocht hoe externeparameters, zoals de vorm en de polariteit van de aangelegde spanning, het gedrag van de lamp beïnvloeden, en hoe deze kunnen leiden tot een performantieverhoging van lamp en aansturing. Hiervoor is een geautomatiseerde testopstelling ontwikkeld die programmeerbare continue DC en sinusoïdale AC golfvormen (0 tot 15 kV; 40 kHz tot 1 MHz) genereert. Daarnaastbevat het testsysteem ook een meetmodule, voor de detectie en acquisitie van doorslaggolfvormen, en een controlemodule, voor de verwerking van meetresultaten.

Het ontsteekgedrag van HID lampen wordt onderzocht aan de hand van de statistische verdeling van de doorslagspanning. Er wordt aangetoond dat polariteitseffecten (door geometrische asymmetrie),aardingseffecten (door spanningsasymmetrie) en ladingseffecten (door deaccumulatie van ladingsdragers in de gasontladingsbuis) de doorslagspanning beïnvloeden. Bovendien wordt het ontsteekgedrag ook beïnvloed door de vorm van de aangelegde spanning en de temperatuur van de lamp. Een elektrisch 
equivalent schema wordt voorgesteld dat het gedrag vande lamp beschrijft tijdens de pre-doorslagfase.

Tenslotte wordt de testopstelling ook ingezet voor het modelleren van het dynamisch gedrag van CCFLs. Een CCFL model wordt ontwikkeld dat de sterke capacitieve koppeling tussen de lamp en de omgeving in rekening brengt. Bovendien worden twee ongewenste bijeffecten in CCFLs verder onderzocht: de lekstroom naar de omgeving enerzijds, en het fenomeen van kwikmigratie veroorzaakt door asymmetrische spanningsvormen anderzijds.
 

Characterization and Modelling of Gas Discharge Lamps Using a High-Voltage Test System

Gas discharge lamps exhibit a highly non-linear voltage-current characteristic with several distinct discharge regimes, some involving high voltage levels. High intensity discharge (HID) lamps, for instance, requirehigh ignition voltages (several kilovolts), especially to re-start shortly after a burning lamp has been switched off. Cold cathode fluorescentlamps (CCFLs) operate in the glow discharge mode, and are usually driven with high-frequency, high-voltage sinusoidal waveforms. The aim is to study and characterize the high-voltage properties of gas discharge lamps by means of experiments and modelling.
It is investigated how external parameters, such as the waveform and the polarity of the applied voltage, influence the lamp behaviour, in order to provide guidelines for a better lamp driver design and improved
performance. An automated test and measurement system is developed for this purpose, which is able to produce programmable continuous DC and sinusoidal AC voltages (0 to 15 kV; 40 kHz to 1 MHz). The test setup also incorporates a measurement module, for detecting and capturing breakdown events, and a control module to manage and process the measurement data. 

The breakdownbehaviour of HID lamps is studied and evaluated by means of statisticalbreakdown voltage distributions. It is found that the breakdown voltageis influenced by polarity effects (due to geometric asymmetries), grounding effects (due to voltage asymmetries) and charge effects (due to theaccumulation of charge carriers inside the arc tube). Furthermore, experiments reveal that the shape of the applied voltage waveform and the lamp temperature strongly affect the breakdown behaviour. A pre-breakdown equivalent electric circuit for HID lamps is proposed.

Finally, the test setup is employed for the characterization of the dynamic behaviour of CCFLs. A CCFL model is developed, taking the strong capacitive coupling between lamp and environment into account. 
Furthermore, two undesired side-effects in CCFLs are investigated in detail: leakage to ground and mercury migration due to asymmetric voltage waveforms.

https://lirias.kuleuven.be/handle/123456789/279957

• Prof. dr. ir. Geert Deconinck (promotor
• Prof. dr. ir. Johan Driesen (promotor)
• Prof. dr. ir. Paul Van Houtte (voorzitter/chairman)
• Prof. dr. ir. Ronnie Belmans (secretaris/secretary)
• Prof. dr. Peter Hanselaer
• Prof. dr. ir. Jozef Poortmans
• Prof. dr. Luc Dupré , Universiteit Gent
• Prof. dr. Georges Zissis , University of Toulouse (Université Paul Sabatier - Toulouse III)
• Prof. dr. M.A.M. (Marcel) Hendrix , Technische Universiteit Eindhoven