Hid Ballast Overview

HID Ballast Overview

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 mantain glow  discharge. Furthermore the ballast should provide sufficient current at glow discharge voltage(appr.  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, reignition 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 measurments 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 preregulator) 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.

Design Considerations

Basic requirements for a sophisticated electronic ballast for HID lighting applications as prelimiary design considerations.  

A. Basic considerations Lamp current. As a solution to the acoustic resonance problem, caused by a high frequency lamp current, low frequency  (50Hz ­ 500Hz) square wave lamp current is suggested. At high frequency operation the most problematic acoustic  resonance range should be avoided. At square wave operation the following advantages can be achieved: •

Constant instantaneous lamp power, resulting in acoustic resonance free operation.

• • • •

No temperature fluctuation, thereby eliminating flickering and less discharge tube wall loading. Constant current density in the electrodes resulting in longer lamp life. Constant temperature profile in the discharge tube and the constant (non­fluctuating) current density EMI (according to the output) is radically decreased compared to the high frequency operation.

  Ballast Curve. In order to avoid the extra power consumption, caused by the usual (nonideal) ballast curves, a nearly ideal  ballast curve is recommended as it is illustrated in the overview.  According to an ideal ballast curve the following may be summarized: • •

Constant lamp current in the warm­up time. Constant power, equal to the nominal lamp power in the required lamp voltage range. Therefore no extra energy  consumption is required according to the line fluctuations and the lampe voltage increase caused by aging.

  Efficency and temperature range. In industrial applications the ambient temperature range can be ­40°C ­ 70°C.  Assuming an average 30°C temperature rise in the ballast and according to experimental results approximately 94%  efficiency, especially in the higher power range(250W ­ 400W), should be achieved.In the low power range (50W ­ 100W)  the efficiency can be lower (92%) at the same ambient temperature. Automatic over temperature protection is  recommended. In the following some design recommendations are listed according to the high efficiency and reliability requirements:  Application of highly reliable and stable film capacitors (polypropylene,etc.)are recommended. If it is possible application  of electrolytic capacitors should be avoided. Selection of ferrite material having its minimum core loss density at high  temperature(90°C ­ 100°C) is strongly recommended. Furthermore designing the magnetic elements(inductors and  transformers) for low temperature rise(<20°C) even if it requires larger and somewhat more expensive ferrite cores is also  recommended. Of course, further methods of designing efficient and reliable switchmode power supplies should be taken  into consideration.

B. Recommendations for line (input) side  Input voltages range: wide input voltage range is not recommendedbecause it decreases the input unit(power factor  preregulator) efficency and therefore overall efficiency. Power Factor: 1.0 ( >98% )  THD: < 5% (< 10%)  Input conduction noise: filtered to an acceptable level Inrush current: none or limited to an acceptable level

Input Transient: input transient voltages should be clamped to an appropriate level. Since the input transients depend  strongly on the environment a careful selection of the clamping devices (MOV's) should be considered. Over and under voltage protection: At an absolute maximum and minimum input voltage level determined by the circuit  design an automatic switch off is recommended.

C. Recommendations for lamp (output) side Short circuit protection: capability for continuous short circuit operation or(and) automatic switch off after a certain time. No load condition: automatic switch off limited by the hot reignition time, reset by OFF/ON. Cycling: the ballast should automatically switch off when the lamp voltage reaches a maximum level by aging. Photo­switch: by applying a simple photoconductive cell(photoresistor) connected to the ballast an automatic night/day  time switch for the ballas may be optionally realized. Dimming: the lamp power can be continuously or by discrete step(s) dimmed to the half of the nominal lamp power (or  lower for HPS lamps); a simple connection of several ballasts (50­100) realizing a lighting system controlled by a single low  power dimming switch should be achieved(Fig.1).

Energy Saving Factor omparison of two different ballasts from energy saving viewpoint has a basic importance. The introduction of Energy Saving Factor and a formula for Compensation Time make the numerical calculations and financial predictions easy. If you do not have time for equations and diagrams, please go to Conclusion

A. Average Yearly Energy Consumption 1. Definitions and Notations

P

LN

Nominal lamp power

t

l

Average lamp life time( appr. 5 yrs)

t

d

Average daily operation time(10 ­ 24hrs)

t

y

Average operation time for a year

b

Power control coefficient (see Fig.1/A, [1], and [2])

a

Dimming coefficient (see Fig.1/B)

D

Dimming duty cycle (see Fig.1/B)

η

Efficiency of ballast(Pout/Pin)

2. Formula The energy consumption for a year can be calculated as follows:

where Wy is energy consumed by the lighting unit (ballast + lamp) during a year. The quantity (PLNty) can be interpreted as the ideal energy consumption for a year and it is shown in Fig. 2 as the function of  daily lighting time, parameterized by nominal lamp powers (100W, 250W and 400W).

B. Energy Saving Factor 1. Definition Let consider two different ballasts B1 and B2. Therefore

where Wi is the yearly energy consumption for ballast Bi (from now "y" subscript will be omitted) Assuming W1 > W2 the difference

gives the yearly saved energy if ballast B1 is substituted with ballast B2. The energy saving factor can be defined as follows

Therefore the energy saving factor gives the yearly saved energy as the percentage of the yearly ideal energy consumption if  the ballast B1 is substituted with ballast B2 where W1 > W2. 2. D1 = D2 = 1

If no dimming applied the expression for the energy saving factor simplified to

Fig, 3 shows a diagram for the energy saving factor, parameterized by b1, if none of the ballasts B1 and B2 are dimmed and  η2=0.95.

3. D1 = 1 and 0 < D2 < 1 In this case no dimming applied for ballast B1, therefore

Fig. 4 shows a diagram for the energy saving factor, parameterized by the efficiency of ballast B1, where a2=0.5 and η 2=0.95.

C. Compensation Time The price of a high efficient electronic ballast can be essentially higher than a conventional core & coil one. Therefore it is  important to know in advance the price compensation time provided by the energy saving of the more expensive electronic  ballast. 1. Notations

C1

Price of the ballast B1(conventional core & coil)

C2

Price of the ballast B2(electronic)

q

Cost of energy[$/kWh]

PLN

Nominal lamp power

Fe

Energy saving factor

W12

Average yearly saved energy

2. Formula The formula for compensation time can be written as

where C21=C2 ­ C1 and Ny is the compensation time in number of years requiered for the compensation of price difference.  For more accurate result the interest rate and other economical factors should be taken into consideration. As an example, a  diagram for 100W ballasts is shown in Fig. 5 where q=0.07[$/kWh] was taken for calculation.

. PLN[W] td[hrs] B1

100

12

B2

100

12

PLNty η [kWh] 440

b

0.82 1.05 0.95 1.0

Fe(D1=1,a2=0.5) D2=1 D2=0.75 D2=0.5 0.23

0.38

0.5

D. Conclusion Energy and cost savings are summarized in the following table if the conventional core & coil ballasts (CWA, efficiency:  80%(100W), 83%(250W) and 87%(400W) are substituted with high efficient, for instance Ballastronic's (95%) electronic  ballasts. Compensation time can be expected from one to two years. This time can be essentially less if dimming is applied.

Lamp power [W] 100

Yearly energy consumption Core & Coil [kWh]

Electronic [kWh]

575

460

Yearly saved energy Yearly saved energy cost (0.1$/kWh) [kWh] 115

$11.5

250

1385

1152

233

$23.3

400

2115

1843

272

$27.2

A high efficient electronic ballast for HID lamps can provide significant energy saving versus conventional HID ballasts  (CWA, reactor, etc.) affecting the customer's energy cost and the planned utilization of power resources considerably.  

References [1] Unglert,M.C., The need for high­pressure sodium ballast classification, Lighting Design and Application, March 1982. [2] Melis,J., Ballast Curves for HPS Lamps Operating on High Frequency, IAS 1992 Technical Conference, Houston,  Texas.

Design Aid A powerful help for electronic ballast designers!

Summary This original, self-contained interactive design aid will help to calculate the basic parameters of a high frequency electronic ballast, where a switchmode square wave inverter supplies a HID lamp connected in series with an appropriate inductor. It includes special calculators (programmed in Javascript) which are backed by a fully and clearly explained theoretical descripition of ballast curves and related power control methods. Chapter 1, briefly describes a simple electronic characterization of HID lamps operating at high frequency. Chapter 2, connected through an appropriate inductor to a high frequency (f>20kHz) symmetrical square wave voltage source, the effective power of HID lamps is calculated. A special function is derived which can be considered as the basic function for the selection of ballast curves and related power control methods. Chapter 3, gives a full description of ballast curves based on a periodical, piecewise exponential,

current wave forms. A distinguished family of ballast curves satisfying the "nominal condition" for new lamps is introduced. Selection of a ballast curve for a given lamp, based on the maximum allowed power, is also described. Chapter 4, based on the control of the amplitude/frequency of a high frequency square wave inverter, methods for power control between the minimum and maximum lamp voltage (lamp resistance) are introduced. Please see sample pages on the right >>> Provide this powerful tool for your engineers to save time and money for your company. How to buy If you would like to buy a copy of the "Ballast Curves and Power Control - Interactive Design Aid for Electric Engineers", please contact the author for details. Price: $1,950 USD