• search hit 2 of 2
Back to Result List

Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002490-8

Emitter erosion in fluorescent lamps during steady-state operation

  • With the growing importance of advanced lighting technologies, customers expect additional functionality and higher comfort from fluorescent lamps. However, the ability to regulate light intensity (dimmed operation), in particular, exerts enormous stress on fluorescent lamps’ electrodes, leading to increased electrode erosion and significantly reduced lifetimes. During the operation of a fluorescent lamp, free barium (the main compound of the electrode emitter) is produced at the electrode responsible for lowering the work function in order to enable energy-efficient and durable electrodes with lifetimes of up to 20,000 hours. Despite their relatively long lifetimes, electrodes remain the lifetime-limiting factor of a fluorescent lamp. Therefore, for practical applications (e.g., maintaining quality control, adjusting operational parameters, and evaluating new electrode designs), electrode erosion is of special interest. The actual erosion-measurement methods determine a time-averaged erosion level over several hundred operation hours. Thus, a quasi-instantaneous measuring method (short measurement) is still necessary to determine erosion during operation. Such a method would allow us to compare erosion under different discharge conditions (currents, frequencies, or heating currents) from the same electrode in the same lamp. This work focuses on the determination of absolute electrode erosion during the stationary operation of commonly used fluorescent lamps. Commercial T8 lamps (fluorescent lamps with a diameter of 8/8 inch) are investigated at the operating mode of commonly used electronic ballasts with frequencies of several kHz. Operations under standard and dimmed conditions with an additional heating current to reduce electrode erosion are investigated. Electrode erosion is characterized by the erosion of barium, the main compound of the electrode. Therefore, laser-induced fluorescence (LIF), which is the most sensitive method for this application, is applied to determine the absolute densities of the eroded barium in the electrode region. These densities are affected by the plasma in the electrode region and do not directly represent the absolute barium erosion. To overcome this limitation, a new method based on a special measurement technique in combination with a barium-diffusion-model is developed to determine the absolute barium erosion based on the measured densities. It has been found that the barium densities in the electrode region are lower than the equilibrium pressures produced by the reduction of the barium oxide. This could be caused either by a reduced reaction rate, the reduced diffusion of the reactant (primarily barium oxide) or by reduced barium transport through the porous emitter. However, these results suggest that barium erosion depends on temperature and emitter structure, which vary over an electrode’s lifetime. For currents significantly higher than the nominal lamp current, a drastic increase in emitter evaporation is found. Such, an increase in the lamp current from 300 mA to 500 mA leads to an increase in emitter evaporation by a factor of five. Using the lamp for a long period of time under these conditions therefore reduces the lifetime by a factor of five. Notably, at this dramatically increased erosion level, the hot spot temperature only increases from 1120 K to 1170 K. Investigation of various frequencies from 50 Hz to 5 kHz revealed no significant dependence of emitter evaporation on frequency.
  • Aufgrund der zunehmenden Konkurrenz von neueren Beleuchtungssteme erwarten Kunden auch von Leuchtstofflampen einen größeren Komfort und zusätzliche Funktionalität. Eine besondere Herausforderung stellt hierbei die Variation der Helligkeit dar. Da im sogenannten gedimmten Betrieb die Elektroden besonders beansprucht werden, erfolgt eine erhöhte Elektrodenerosion, welche die Lebensdauer deutlich verringert. Während des Betriebes wird an der Elektrode freies Barium (Hauptbestandteil des Emitters) erzeugt, wodurch die Austrittsarbeit der Elektronen deutlich gesenkt wird. Nur hierdurch sind effiziente und haltbare Elektroden mit einer Lebensdauer von bis zu 20.000 Stunden möglich. Trotz ihrer langen Lebensdauer sind die Elektroden die lebensdauerbestimmenden Elemente einer Leuchtstofflampe. Daher ist die Elektrodenerosion für die Qualitätskontrolle, das Einstellen von Betriebsparametern und die Untersuchung neuer Elektrodendesigns von besonderem Interesse. Aktuelle Methoden bestimmen die zeitgemittelte Elektrodenerosion über mehrere hundert Stunden. Es existiert noch keine geeignete Methode zur Bestimmung der momentanen Elektrodenerosion (kurze Messung). Nur mit einer solchen Methode können verschiedene Betriebsparameter (wie Strom, Frequenz oder Heizstrom) an derselben Elektrode (selbe Lampe) und verschieden Lampen und Elektrodensystemen direkt miteinander verglichen werden. In der Arbeit wird eine Methode zur Bestimmung der absoluten Elektrodenerosion während des stationären Betriebs kommerzieller T8 Lampen (Leuchtstofflampen mit einem Durchmesser von 8/8 Zoll) vorgestellt. Es wird der Betriebsmodus von typischen elektronischen Vorschaltgeräten mit Frequenzen von einigen kHz untersucht. Hierbei wird der Normalbetrieb als auch der gedimmte Betrieb mit zusätzlichem Heizstrom untersucht. Die Elektrodenerosion wird anhand der Erosion von Barium (Hauptbestandteil des Emitters) bestimmt. Hierzu wird die sensitivste Methode, die Laser-Induzierte-Fluoreszenz (LIF) eingesetzt, um die absolute Dichte des erodierten Bariums (Grundzustand) zu messen. Die gemessenen Dichten werden stark durch das Plasma in der Elektrodenregion beeinflusst und entsprechen daher nicht der absoluten Bariumerosion. Um dennoch aus gemessenen Bariumdichten die absolute Bariumerosion zu bestimmen, wurde eine neuartige Messmethode in Kombination mit einem Bariumdiffusionsmodell entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass die Bariumdichten in der Elektrodenregion geringer sind, als die bei typischen Brennflecktemperaturen zu erwartenden Dichten. Diese kann nur durch eine verringerte Bariumproduktion, einer verringerten Diffusion der Reaktanzen (primär Bariumoxid) oder mit einem gehemmten Transport durch den porösen Emitter erklärt werden. Diese lässt den Schluss zu, dass die Bariumverdampfung nicht nur von der Brennflecktemperatur, sondern auch von der Emitterstruktur, welche sich während der Elektrodenlebensdauer deutlich verändert, abhängt. Für Lampenströme die deutlich höher sind als der nominelle Lampenstrom konnte eine wesentlich höhere Bariumerosion nachgewiesen werden. Bei einer Erhöhung des Lampenstromes von 300 mA auf 500 mA steigt die Bariumerosion um einen Faktor 5 an. Demzufolge würde bei einem Dauerbetrieb mit diesem erhöhten Strom die Lebensdauer um den Faktor 5 verringert werden. Trotz dieser dramatisch erhöhten Bariumerosion steigt die Brennflecktemperatur lediglich von 1120 K auf 1170 K. Durch Messungen mit verschieden Betriebsfrequenzen von 50 Hz bis 5 kHz konnte nachgewiesen werden, dass die Betriebsfrequenz keinen signifikanten Einfluss auf die Bariumerosion hat.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author: Kristian Rackow
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002490-8
Title Additional (German):Emittererosion in Leuchtstofflampen während des stationärer Betriebes
Advisor:Prof. Dr. Klaus-Dieter Weltmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2016/04/25
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2016/03/21
Release Date:2016/04/25
Tag:Emitter, thermionische Emission
electrode, erosion, evaporation, fluorescent lamps, hot spot
GND Keyword:Anode, Barium, Brennfleck, Elektrode, Elektron, Emission, Emitter, Erosion, Kathode, Laser, Leuchtstofflampe, Verdampfung
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.60.-v Laser optical systems: design and operation / 42.60.Jf Beam characteristics: profile, intensity, and power; spatial pattern formation
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.62.-b Laser applications / 42.62.Fi Laser spectroscopy
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.70.-m Plasma diagnostic techniques and instrumentation / 52.70.Kz Optical (ultraviolet, visible, infrared) measurements
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.77.-j Plasma applications
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.80.-s Electric discharges (see also 51.50.+v Electrical properties of gases; for plasma reactions including flowing afterglow and electric discharges, see 82.33.Xj in physical chemistry and chemical physics) / 52.80.Mg Arcs; sparks; lightning; atmospheric electricity (see also 92.60.Pw Atmospheric electricity, lightning in meteorology)