TL-Starters
Tijdens metingen kunnen interessante fenomenen aan het licht komen waar voorheen nooit bij stilgestaan is. Het begon met een meting van het vermogen tijdens de startprocedure van een TL-verlichtingsbak. Een onverklaarbaar deel van de opstartfase leidde tot de ontdekking dat licht radioactief materiaal in TL-starters gebruikt wordt. Hier het verhaal:
Startgedrag van een TL
De aanleiding van deze meting was de vraag hoeveel energie een TL-armatuur gebruikt tijdens het starten. Voor deze meting is gebruik gemaakt van een 36 W TL-bak. De stroom en de spanning zijn gemeten met een digitale oscilloscoop gebruikmakend van een DC-stroomprobe en een hoogspannings-differentiaalprobe. Deze meetopstelling is afgebeeld in figuur 1.
In de schermdump hieronder is het resultaat van de meting te zien. Het vermogen wordt berekend uit de momentele waarden van de spanning en de stroom. De blauwe energielijn is het resultaat van het integreren van het momentele vermogen.
Tijdens het inschakelen van een TL zijn de volgende fasen te onderscheiden:
- Dit is een onverklaarbaar deel. Er staat wel spanning over de TL-schakeling, maar de stroom en het vermogen is zeer klein.
- Tijdens deze fase wordt het gas in de starter opgewarmd. De stroom is laag, evenals het vermogen, te zien aan de geringe stijging van de energielijn.
- Het gas heeft het bimetaal van de starter voldoende verwarmt om te sluiten. De stroom vloeit nu via de bimetaal schakelaar en de ballast door de gloeidraden van de TL-buis. Door de relatief hoge reactantie van de ballast in vergelijking met de ohmse weerstand van de gloeidraden is het vermogen voornamelijk reactief. Ondanks dat het vermogen een grote amplitude laat zien kost dit deel van het starten relatief weinig energie.
- Het bimetaal is weer afgekoeld en opent. Een hoge inductiespanning zorgt voor de ontsteking en de TL-buis brand. De stroom wordt bepaald door de zelfinductie en TL-buis. De stroom is nu lager dan tijdens de voorgloeifase C, maar omdat de schakeling nu een meer ohms karakter heeft gebruikt de TL meer energie. Merk op dat de vermogencurve nu asymetrisch rond de nullijn ligt.
Het vermogen dat de TL-verlichting gebruikt is evenredig met de steilheid van de blauwe energielijn. De meting laat duidelijk zien dat tijdens het normale branden de energielijn het steilst is en dus dan het meeste energie gebruikt. Het opstarten vergt een relatief laag vermogen.
Mythbusters
Het algemeen heersende idee is dat een startende TL meer vermogen vergt dan een brandende. Tijdens een uitzending van Mythbusters (episode 69) werd deze aanname onder de loep genomen en bevestigd. Helaas niet correct. In de bewuste aflevering werd een meetfout begaan die duidelijk laat zien waar deze fabel op berust. Alleen de stroom tijdens het opstarten van de TL werd gemeten. Figuur 2 laat zien dat de amplitude van de stroom tijdens het voorgloeien c weliswaar groter is dan tijdens het branden d, maar dit zegt niets over de gebruikte energie per tijdseenheid. Om het werkelijke vermogen op een zeker tijdstip te kunnen bepalen moet ook de spanning gemeten worden.
Over het correct meten van vermogen en energie zie het artikel Theorie en Definities.
Onverklaard deel opstartprocedure
Tot zover deze meting. Rest nog het onbegrijpelijke deel a tijdens het opstarten. Herhaalde metingen van de opstartprocedure leert dat deze stroomloze periode slechts zeer sporadisch voorkomt. Omdat alle onderdelen, ballast en de gloeidraden van de TL-buis, een geleidende verbinding vormen is de starter verdacht.
Meting aan de starter
Normaal gesproken begrenst een starter de spanning op zo'n 150 V. Maar zelfs bij de sinus toppen (325 V) en het redelijk lang aanhouden (3 ms) van een spanning boven de 150 Volt per halve periode, schijnt de starter niet gegarandeerd te onsteken. Besloten werd om de reactietijd van de starter bij verschillende spanningen te onderzoeken. Hiervoor is een stapvormige spanning nodig die snel van nul tot de gewenste spanning opkomt en deze vasthoud totdat de starter ontsteekt.
De testschakeling
Het hart van de schakeling is de 1,8 mH spoel. Tijdens geleiding van de MOSFET staat de voedingsspanning over de spoel waardoor deze zich oplaad. Op het moment dat de MOSFET uit geleiding gaat zal de energie in de spoel via de diode en 100 Ω weerstand overgedragen worden aan de condensator (10 nF). Hierdoor stijgt de spanning in zeer korte tijd en neemt slechts zeer langzaam af.
Door de voedingsspanning of de tijd dat de MOSFET in geleiding is kan de testspanning gevarieerd worden.
De te testen starter staat parallel over de 10 nF condensator. De spanning over de starter wordt gemeten met een differentiaalprobe.
Proefmeting
Figuur 4 laat een typisch verloop van de spanning over de starter zien. De spanning stijgt na het sperren van de MOSFET snel naar de ingestelde spanning, hier 290 V, en blijft gehandhaafd totdat de starter ontsteekt. De reactietijd van deze meting was 700 µs. Na het ontsteken ontlaad de condensator zich met een typische ontlaadcurve over de starter tot een spanning van zo'n 150 V. Hierna geleid ook de starter niet meer en daalt de condensatorspanning slechts door lekstromen.
Meerdere metingen laten zien dat de reactietijd zeer onstabiel is maar dat er een duidelijk afhankelijk van de testspanning bestaat. Hoe hoger de spanning hoe korter de reactietijd.
Voor deze meting is TL-starter ontdaan van zijn beschermende huls en de interne condensator is verwijderd.
Spreiding reactietijd
De ontstekingsvertraging is dus alles behalve stabiel. De eerste metingen zijn in de avonduren verricht waarbij de vertraging variëert van bijna 0 tot vele tientallen milliseconden. Toen de volgende ochtend dezelfde meting nogmaals werd verricht bleek dat de reactietijd een stuk korter was dan de avond ervoor, een erg vreemde situatie! Na wat experimenteren bleek dat omgevingslicht de oorzaak was. Blijkbaar zijn starters erg lichtgevoelig. Mogelijk dat fotonen het ontsteken van het gas versnellen.
Figuur 5 laat de spreiding in ontstekingstijd zien waarbij daglicht de kamer binnentrad. In meting van figuur 6 is de starter volledig van omgevingslicht afgeschermd. De scoopplaatjes zijn het resultaat van vele metingen. Het verschil tussen deze twee afbeeldingen laten duidelijk de lichtgevoeligheid van TL-starters zien. De overeenkomst tussen de metingen onder licht en verduisterde condities is dat in beide gevallen een enorme spreiding blijft bestaan.
De spreiding in reactietijd, vooral onder donkere condities, zou theoretisch gezien kunnen verklaren dat een TL-verlichting lange vertraging kan oplopen voordat de startcyclus gestart wordt, niet te verwarren met de herhaaldelijke pogingen om de TL-buis te ontsteken.
De metingen uit figuur 6, waarbij fotonen buiten de deur worden gehouden, laat zien dat de ionisatie van het gas zowel vrijwel direct als pas na zeer lange tijd op gang komt. De verdenking bestaat dat andere energierijke deeltjes verantwoordelijk zijn voor het ioniseren van het gas in de starter. Dit moet nader onderzocht worden:
Externe energierijke deeltjes
Om te onderzoeken of externe energierijke deeltjes een rol spelen bij het ioniseren van het gas is de TL-starter gedeeltelijk afgeschermd met een rol lood. De dikte van de loodwand is 25 mm en de lengte van de rol is ongeveer 100 mm. De starter is binnen in deze rol gelegd en tevens weer afgeschermd voor omgevingslicht. Ondanks dat de starter wel aan de zijkanten wordt afgeschermd en de uiteinden nog open zijn, zal tocht een verschil in ontstekingstijd merkbaar moeten zijn.
Er zijn twee vergelijkende reactietijd metingen gedaan, met en zonder loodafscherming, over ongeveer 5000 ontstekingen. Van beide metingen is de ontstekingsvertraging in een histogram uitgezet zoals te zien in figuur 7. Tussen beide metingen is geen significant verschil gevonden tussen wel of geen lood afscherming. Hieruit mag geconcludeerd worden dat externe energierijke deeltjes geen grote rol spelen bij het ioniseren van het gas in de TL-starter.
Radioactiviteit
Als het niet van buiten komt moet het wel vanuit het inwendige komen. Helaas is er geen mogelijkheid om het inwendige tegen zichzelf af te schermen en stopt de mogelijkheid om dit te meten. Rondzoeken op het internet leert dat het licht radioactieve Krypton-85 is toegevoegd om de starters sneller te laten ontsteken:
radionuclide: Kr-85
activiteitscriterium: 104 Bq
activiteitscriterium: 105 Bq/g
activiteit per product: 1,9.104 Bq
Omgekeerde polariteit
Een laatste vermeldingswaardigheid is dat TL-starters polariteit gevoelig zijn. Tijdens dezelfde meetcondities als in figuur 7 zijn de twee aansluitingen van de starter verwisseld. De ontstekingsvertraging wordt hierdoor een stuk korter zoals figuur 8 laat zien. Een echte verklaring voor dit fenomeen is niet direct te achterhalen.