Futek Brief Characterization Of Hid Lamps

A brief characterization of HID lamps, and the definition/classification of related electronic ballasts are presented.

A. Characterization of HID Lamps A brief characterization of HID lamps (HPS and MH lamps) and the related ballast   requirements are summarized in the following points.

1. Ignition. HID lamps need an appropriate voltage across the electrodes to initiate and  maintain glow discharge. Furthermore the ballast should provide sufficient current at  glow discharge voltage(app. 90V for HPS and 180V for MH) forcing the glow­to­arc  transition. Therefore, the ballast should provide increased open circuit voltage (>600V)  for MH(Type I, 2+1 electrodes) lamps and high voltage pulses (2000 ­ 3000V, 1µs) for  MH (Type II, 2 electrodes) and HPS(2 electrodes) lamps.

2. Warm up time. The warm up time for HID lamps is several minutes (shorter for MH  and longer for HPS lamps). In this period the resistance of the lamp (measured by  applying square wave current) continuously increases from a low value [6Ω (400W, MH)]  to an essentially higher nominal value [40Ω (400W, MH)]. Therefore, the ballast should  act as a nearly constant current source providing sufficient increasing (nearly linear)  power for the lamp.

3. Lamp Voltage Rise. HPS lamps in particular, have an excessive rise in lamp voltage  during their life time. This voltage rise can achieve approximately one hundred seventy 

percent (170%) of the one hundred hour operation value. Therefore, a ballast should keep  the lamp power within an acceptable power range derived from the ballast curve.

4. I­V Characteristics. If the lamp current is forced to change with a certain value (∆I)  the lamps can respond in two different ways as it is shown in Fig 1.

If the current is changed slowly, (i.e. within a minute), and with a certain value (∆I) the  lamp voltage changes only with a small value . In this case the lamp acts like a non­ideal  bidirectional Zener diode. Furthermore, if the change is fast (< 1s) a decreased lamp  voltage is produced by the increased lamp current and vice versa. Therefore, if a lamp is  connected directly to a voltage source, a highly unstable state can be resulted. Any small  current fluctuation can cause extinction or a very fast current increase, which can damage  the lamp resulting a practically short circuited voltage source. Evidently, a ballast should  act as a current source allowing the lamp to determine its voltage.

5. Acoustic Resonance. At high frequency (f > 4 kHz) operation of HID lamps, standing  pressure waves (acoustic resonances) can occur in the discharge tube. This phenomenon  may lead to visible arc distortions, resulting in decreased lamp life time and, in some  cases, cracking of the discharge tubes. Acoustic resonances are driven by periodic  instantaneous lamp power. In conclusion it may be stated that the occurrence of acoustic  resonances at high frequency can be considered as a limitation factor for a wide and  reliable application of high frequency (< 60kHz) electronic ballasts supplying HID lamps.

6. Cataphoretic phenomenon. Cataphoretic effects may result when a lamp is operated  with DC current. Such operation results in demixing of the gas­filling as the sodium is  transported toward the cathode side of the tube, making the lamp inadequate for lighting  purposes. Therefore, the polarity of the lamp current should be periodically changed by  the ballast (i.e. every 10 ms) providing an axially homogeneous discharge. An  approximately zero DC component is recommended. Obviously the situation is different  for special HID lamps designed for DC operation.

B. Definition of Ballast According to the particular features of HID lamps described previously, a ballast, as it is  shown in Fig. 2, having an input which is connected to a given (usually 50/60 Hz  sinusoidal) voltage source, can be considered as an HID ballast if the output connected to  a HID lamp acts: 

1. as a symmetrical AC current source providing:  a) nearly constant effective current between zero and the minimum lamp voltage at   nominal lamp power; b) nearly constant effective power equal to the nominal lamp power between the minimum   and maximum lamp voltage and 2. it includes an appropriate ignitor for starting purpose. According to the definition of a ballast for HID lamps, the lamp current (I) vs. lamp  voltage (V) and the lamp power (P) vs. lamp voltage V(ballast curve) diagrams are  illustrated in Fig.2. All values should be interpreted as effective values. The lamp voltage(arc discharge voltage!) at cold start is approximately 20V(30V). In the  definition, for simplicity, zero(short circuit) value was used as minimum output voltage.  The current in the range of 0 < Vout< 20V can be lowered but it should be sufficiently  high forcing the transition from glow discharge to arc discharge at a certain glow  discharge voltage determined by the lamp.

C. Ballast Classification With the temperature modulation depth in the central discharge channel (flickering,  reigniting peak), maximum current density in the electrodes, and acoustic resonances, the  frequency and the crest factor of the lamp current (or power) can be considered the  logical starting points for a simple classification method of ballasts. From the ballast  perspective, the efficiency (power loss) can be considered as a basic parameter, directly  affecting the temperature rise. The ambient temperature surrounding the electronic ballast  will affect the reliability and, necessarily, the expected product lifetime. Furthermore, the  energy saving is also directly determined by the efficiency. 1. Frequency. From practical viewpoint the following frequency ranges can be taken into  consideration. Low frequency range: 50 Hz < f < 500 Hz High frequency range : f > 20 kHz,  2. Crest Factors. The lamp current and lamp power are fluctuated periodically where  frequency of the instantaneous power is twice of the lamp current frequency with the  exception of the square wave operation where the instantaneous power is constant. The  fluctuation can be characterized by crest factors as it will be shown in the following part. Current crest factor: Ci = Im/Ie (Ci > 1) where Im is the amplitude (or max. value) and Ie is  the effective value of the lamp current . Ci depends strongly on the current wave form: Ci 

= 1 (square wave), Ci = 1.4 (sinusoidal), 1.1 < Ci < 1.7 (piecewise exponential). For  current pulse operations Ci can be essentially higher than one. Power crest factor: Cp =Pm/Pe (Cp > 1), where Pm is the maximum instantaneous power  and Pe is the effective power . If the lamp resistance is nearly constant in a period time,  then Cp is approximately equal to Ci2. In the case of a square wave lamp current, Cp = Ci =  1. Furthermore if Cp > 1 acoustic resonances can occur at high frequency operation.

Using the frequency and current crest factors a simple classification of HID ballasts is  shown in Fig.3. The current pulse operation ( Ci >> 1 ) has some specific features such as  decreased light output, with a slightly increased color temperature at low frequency  operation, stronger acoustic resonance problems and practical circuit difficulties at high  frequency operation. At square wave operation there are no flickering, reignition peaks  and acoustic resonance related problems, but the ballast circuit is more complex and more  expensive. 3. Efficiency. The efficiency and the closely related energy savings, ambient temperature  handling capability and reliability can be considered as a crucial factor according to the  practical application of ballasts. Therefore the following sub­classification of ballasts  with respect to the efficiency may be justified: 1. Conventional (core & coil)  • low efficient (< 80% ) • high efficient (> 85%) 2. Electronic • very low efficient ( < 85% )

• low efficient (85% ­ 90% ) • high efficient( 90% ­ 93% ) • very high efficient( > 93% ) The average temperature inside an electronic ballast (this is a very global approach,  separate temperature measurements are recommended for crucial components) depends  on the external ambient temperature (which can be high as 50°C for industrial HID  applications) and the temperature rise which is directly related to the power loss of the  ballast. Therefore the efficiency of an electronic ballast for HID lamps (especially at high  lamp power range) can be a crucial limitation factor according to the applications. 4. Power Factor. High power factor ballast are recommended especially in the high power  range(> 150W). High power factor: PF > 90% Low power factor: PF < 90% Low power factor equipments can result an increased harmonic distortion and effective  value of the current in the power line. On the other side an extra unit (power factor pre­ regulator) is required decreasing the efficiency and reliability. The cost of ballast can be  approximately increased by 30%.

Bibliography Further readings: 1. The high pressure sodium lamp, J.J de Groot, J.A.J.M. van Vilet, 1986 MacMillan. 2., The need for high­pressure sodium ballast classification, M.C. Unglert,, Lighting  Design and Application, March 1982. 3. An elementary arc model of the high pressure sodium lamp, J.F. Waymouth, Journal of  IES/April 1977.

4. Ballast Curves for HPS Lamps Operating on High Frequency, J. Melis, IAS 1992  Technical Conference, Houston, Texas. 5.A power controlled current source, circuit and analysis, J. Melis, APEC' 94, IEEE  Technical Conference, Orlando, Florida. 6. An output unit for low frequency square wave electronic ballasts, J. Melis, SOUTHEASTCON' 94, IEEE Technical Conference, Miami, Florida. Some HID lamp related technical papers: 7. A theoretical investigation of the pulsed high­pressure sodium arc, C.L. Chalek and  R.E.Kinsinger, J.Appl. Phys. February 1981. 8. Study of HID lamps with reduced acoustic resonances, S. Wada, A. Okada, S. Moori,  JOURNAL of the Illuminating Engineering Society, Winter 1987. 9. Characteristic of Radiation­Dominated Electric Arc, J. J. Lowke, J.Appl. Phys. May  1970 10. High­Intensity Sodium Lamp Design Data for Various Sizes, W. C. Louden, W. C.  Matz, LIGHT SOURCES II preprint no. 13.

For more information’s please contact  Prof. Mohamed Helal  [email protected]