基于PLC霓虹灯控制的设计
第二章 霓虹灯变压器的设计
第一节 霓虹灯的工作原理
霓虹灯采用正常辉光放电形式工作，具有辉光放电的基本特征，正离子轰击阴极使阴极发射二次电子来维持放电，阴极电流主要由正离子所贡献。由于是正常辉光放电，所以在一定的电流范围内， 阴极的电流密度不变，阴极位降不变。阴极位降大约为100一20伏，为正离子加速提供能量。当外电源电路接通后，变压器输出端就会产生几千伏甚至上万伏的高压。能激发产生大量的电子。这些激发出来的电子，在高电压电场中被加速，并与灯管内的气体原子发生碰撞。当这些电子碰撞游离气体原子的能量足够大时，就能使气体原子发生电离而成为正离子和电子，这就是气体的电离现象。带电粒子与气体原子之间的碰撞，多余的能量就以光子的形式发射出来，这就完成了霓虹灯的发光点亮的整个过程。霓虹灯的开关次数不影响使用寿命，适合制作广告背景扫描。
第二节 霓虹灯的结构与部件
一般的商品用霓虹灯多采用冷阴极辉光放电形式工作。典型的冷阴极霓虹灯结构如图2.1所示。由玻璃灯管、霓虹灯变压器、霓虹灯专用高压线等部分组成。
图2.1霓虹灯的结构
玻璃灯管根据要求弯制加工成直线状或异形曲线状的文字或图案。玻璃管主要用来填充工作气体，限制放电区域，保持真空和透射光线。玻璃灯管以直径规格分为:
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Ф6、Ф7、Ф8、Ф9、Ф10、Ф12、Ф15、Ф18、Ф20mm等;以玻璃材质分:钠玻璃管(俗称石灰料玻璃管)及铅玻璃管<又称红丹料玻璃管)。钠玻璃管稳定性差，受潮后极易变质、泛碱(风化)，牢度差易爆裂。目前国内大部分采用的是石灰料即钠钙玻璃，与国外采用的红丹料玻璃即铅错玻璃质量相差较大，存在问题为:采用的钠钙玻璃内氧化锰杂质含量过大;钠钙玻璃的化学稳定性差，玻璃表面长期使用后的透明度降低，使灯的光衰加剧:玻璃中的纳原子向玻管的内表扩散，溶入荧光粉晶体中，使荧光粉劣化;如果在弯制过程中加温过甚， 玻璃中的纳原子析出与汞化合形成黑色的吸光纳汞齐膜，使荧光粉的光效率大为下降。铅玻璃管其热性能、机械性能、电性能、化学稳定性能、真空性能和光学性能优于钠玻璃，其耐候性、使用寿命大大超过钠玻璃。玻璃管可以是透明的(俗称明管)，也可以是涂有荧光粉的(俗称粉管)，依据所需获得光色而定。明管所充的工作气体通常为惰性气体，不同的惰性气体有其不一样的发光光谱特性。以氖气最为常见，发红色光，此时氖气不仅参与放电，而且也参与发光。粉管内涂各种规格荧光粉，内充氢气及少量金属汞，汞蒸激发辐射2537埃紫外线，被荧光粉吸收而产生荧光，氛气作用提高光效降低着火电压。在玻璃管两端各置一个金属电极，作为发射电子和收集电荷之用。常用电解铜或镀镍铁制成圆锥形，有足够的发射面积，保证散热和降低阴极电位。电极要能经受质量相当大的正离子轰击而不致升温过高，不熔化和减少阴极溅射。金属电极外有云母片，其作用一是支撑电极，二是隔热，防止在真空除气过程中，电极升温过高导致外玻璃管炸裂。电极作为霓虹灯管的核心部件，其质量与性能的优劣将直接影响灯管的寿命。质量好的灯管除了对真空度有较高的技术要求外，更重要的是必须有一对发射性能良好的电极，因为电极壳的表层通过轰击加热的过程中，能形成一层非常有利于电子发射激活层。若在轰击中，完全丧失了这一激活层，那么真空度再高，其寿命也不会超过1000小时的。实验也证明了灯管寿命不是跟真空度成正比关系。霓虹灯的电极发射电子是由正子轰击阴极表面而产生二次电子发射的。它取决于阴极的材质及阴极的表面状态。实验证明，当阴极表面被其它单层低逸出功金属原子覆盖时，其二次电子发射系数变大，逸出功降低，发射性能好，溅射少。霓虹灯电极材料大都使用铜、铁、镀镍铁等金属制作的，这些金属的逸出功较高，电子发射性能相对较差。如果灯管使用这些纯金属发射电子势必造成其阴极压降大，阴极溅射得快，从而使灯管很快因溅射失效，特别是铜电极
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溅射得更快。实验证明，纯金属容易溅散，但在金属表面氧化一层有益的氧化膜或涂一层其它逸出功较低的金属或其氧化物，这样做可以大大降低其逸出功的，提高了电子发射性能，从而减缓了阴极溅散，起到了延长灯管寿命的作用。于是人们在制造电极时，大都把电极进行预处理。
常见的霓虹灯变压器有两种：漏磁变压器和电子变压器。漏磁变压器既是变压器，与普通变压器有同样的结构，在铁芯上绕上初级和次级线圈，同样在铁芯窗口的中间部位增加了一个普通变压器所没有的磁分路，这个磁分路用小的硅钢片叠合而成，且与铁芯之间有空气隙，有意让铁芯中的磁通能通过这一分路漏出铁芯。其作用相当于在变压器上安装了一个安全阀，当次级电流增加时，铁芯中的磁通就会被这磁分路所旁路，只有少数磁通与次级线圈相联系，使次级的感应电动势减小，从而使漏磁变压器获得了霓虹灯变压器所需的保持灯管电流不变的特性。实际上，灯管的寿命与电极的性能和结构有着紧密的联系着的。漏磁变压器通过长期的使用和改进，设计及制作工艺都已达到完善和成熟。它的性能可靠，工作稳定，被广泛使用。漏磁式霓虹灯变压器功率高450vA ，重量大于10公斤，虽然具有工作稳定可靠，负载能力强(可带1米到12米霓虹管)，但是漏磁变压器需耗费大量的铜和钢，笨重且价高，安装困难，而且功率因数仅为0.5左右。在电力资源日益紧张的今大，传统的漏磁式霓虹灯变压器正被能低、体积小、重量轻的电子式霓虹灯变压器所取代。 电子式霓虹灯变压器一般6米的功耗不大于80W，12米的功耗不大于105W，大型霓虹灯工程中能大幅度节约电力资源，且方便安装维护，但也有缺点，主要是可靠性差、亮度低、恒流性能弱，其中以可靠性问题最为突出。电子变压器原理并不复杂，所用之电经过整流滤波后得到 3OOV左右的直流电压，然后通过逆变电路，将直流电转变为高频交流电，再经升压变压器升压到很高的电压供霓虹灯启辉工作电路通常设置有保护电路，以保证霓虹灯管开路或短路等异常情况时电路的安全。用电子技术制成的霓虹灯电子变压器，在霓虹灯工程中得到广泛应用，相当大范围内取代了传统的漏磁变压器。变压器通过霓虹灯专用高压绝缘线、杜美丝与玻璃管内电极相连。常见的高压线有两种：一是普通高压线即塑料高压线，这种高压线价格便宜，但塑料容易老化，室外使用不久塑料就要老化易引起拉火等，安全性较差。另一种是硅橡胶绝缘高压线，是目前较理想的霓虹灯连接线，安全性强，可靠性好。
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第三节 高可靠性霓虹灯的设计
针对霓虹灯电子变压器可靠性差的问题，本文从性价比及可靠性两方面研究市场上逐渐成为主流的6到8米电子式霓虹灯变压器，主要考虑关键部件设计、器件优选和易损器件的保护，以期提高可靠性和性价比。
电子变压器的线路及工作原理霓虹灯电子变压器电子线路见图2.2。
图2.2 霓虹灯电子变压器线路图
工作原理为:220V交流电经Dl-D4整流、C2和C3滤波后变成直流电，供给后面的振荡线路，C2和C3联接点的电压在15V左右，R1、R2稳定155V电压。 A1是按的保险丝，起短路及大电流保护作用。R1、C1消除交流电高频干扰。振荡起振线路由R5、R6、C4、D6和D7构成，220V直流电经R5、R6对C4充电，当C4电压上升到某一个值时，触发二极管D7导通，使得三极管T2基极与发射极得到正向偏置电压而导通，注意R5的功率要有2W。振荡主线路由T1、T2、L1、L2、L3、R8和R9组成，由于起振线路的触发使得T2导通，一旦T2导通，C3通过B初级、L3 和T2放电。
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L1、L2和L3绕在同一个高频铁氧体磁芯上，且同名端如图1所示，由于有电流流过L3，L1和L2上感应电压使得T2由导通变为截止，而T1由截止变为导通。一旦T1导通，C2通过T1、L3和B的初级放电，此时通过L3和B的初级的放电电流的方向与先前正好相反，导致T1由导通变为截止，而T2由截止变为导通，如此周而复始，使电路产生振荡。R8、R9分别是三极管T1、T2基极限流保护电阻，D6的作用是把触发起振后C4上依旧存在的充电电压释放掉，R10和C6有保护T1、 T2三极管和改善波形的作用。R4、C1、D5、R7、C5、R11及SCR构成过流及开路保护线路，R4是过流电压取样电阻，C1的作用是使得保护电路工作可靠，C5可消除干扰信号及开机保护，一旦出现过流，保护线路工作， 单向可控硅SCR导通，振荡线路停振不工作，保护T1T2。保护线路一旦起作用，待故障排除后，重新开机才能恢复正常工作。 一、功率管的选择
霓虹灯电子变压器出现故障大多数原因是功率管损坏，功率管的选择直接关系到霓虹灯电子变压器的可靠性， 用图2.1线路不同T1T2功率管带不同长度霓灯管做比较试验，结果见表2.1。表中负载是Ф12霓虹灯管，全亮电压/电流是指霓虹灯电子变压器刚好使整个负载长度都点亮时的输入交流电压/电流， 而正常亮度电压/电流指霓虹灯电子变压器是整个负载长度都达到正常你正常亮度时的输入交流电压/电流。
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