電子式霓虹燈變壓器的設計原理

　　1　引言

　　隨著社會主義市場經濟的發(fā)展，伴隨著精神、物質文明建設的需要，對城市光亮美化的要求越來越高。霓虹燈作為商品宣傳的傳統(tǒng)手段已成為城鄉(xiāng)亮光工程的主要風景線之一，對其在數量上和質量上的要求亦相應提高，而為霓虹燈配套的變壓器也將成為城市亮光工程和商品宣傳中不可缺少的元件。

　　世界上第一支商業(yè)性霓虹燈的出現是在1910年，我國第一次制成的霓虹燈是在1927年。為霓虹燈配套的電感式霓虹燈變壓器，其生產技術仍沿用至今。它存在著耗電大(功率因數為0.5～0.6)、重量重(8～1kg)、體積大、壽命短(因為溫升高)等問題。尤其是耗電大的問題尤為嚴重，據了解北京市對電感式霓虹燈變壓器的年需要量為100萬臺。假設每臺變壓器每天平均使用4小時，則每年耗電量為190萬度(千瓦時)，與功率因數為0.9的電子式霓虹燈變壓器比較，相當于一座中型發(fā)電站的電力被白白浪費了，就全國而言，浪費的電力更為嚴重。

　　從節(jié)能考慮霓虹燈變壓器的升級換代已成為當前急需解決的一個課題。電子式霓虹燈變壓器是升級換代比較理想的產品，與電感式產品比較，它具有節(jié)能(功率因數為0.9～接近于1)、重量約輕4倍左右、體積減小1/3、壽命長、具有燈管開路和短路的全自動保護功能及亮度不隨輸入市電電壓變化而改變等優(yōu)點。

　　但是，目前市場上出現的許多種電子式霓虹燈變壓器還不夠理想。例如：基本上只能用于室內(因為是開放式結構)、亮度不夠高、自動保護系統(tǒng)的可*性差和成本高等，技術經濟性已成為推廣應用它的主要障礙之一。

　　由于公開發(fā)表的技術專著較少，蔡祖泉同志的《霓虹燈原理與制造技術》一書是我國第一次全面論述霓虹燈和它的變壓器的原理與制造的技術著作，它對提高我國霓虹燈工業(yè)的技術水平起到了很大的作用。但是如何進行電子式霓虹燈變壓器的設計則論述較少。其他報刊發(fā)表的論文和?？仓挥芯唧w的電路而未涉及如何進行設計的問題。本文對如何設計的問題進行一些探討。

　　2 電子式霓虹燈變壓器的負載特性

　　冷陰極霓虹燈是在燈管內的低氣壓惰性氣體被高壓擊穿后，產生輝光放電而發(fā)光。霓虹燈進入正常輝光放電狀態(tài)時，維持恒定放電電流的燈管壓降不很高，通常為一個恒定值。一個10m長的霓虹燈，一般起輝電壓約為15kV左右，燈管工作電壓約為8～10kv左右，工作電流約為20～60mA。適應霓虹燈這種工作特性的電源即俗稱漏磁變壓器的電感式霓虹燈變壓器。它實質上是一高漏抗變壓器，其伏安特性如圖1所示。

　　圖中曲線a是變壓器的負載特性曲線，曲線和橫軸的交點是變壓器的短路電流，它大于燈管的工作電流。曲線和縱軸的交點是變壓器輸出端的空載電壓，此電壓高于燈管的起動電壓。曲線b是冷陰極輝光放電霓虹燈的伏安特性曲線。曲線a、b的交點p就是霓虹燈的穩(wěn)定工作點。

　　電子式霓虹燈變壓器和電感式產品一樣，也是一個高漏抗變壓器，其負載特性也是非線性的。但是它的起輝電壓、工作電壓和工作電流均比電感式的低一些，這是由于它的工作頻率高所決定的。

　3　電子式霓虹燈變壓器的設計

　　電子式霓虹燈變壓器實質上是個開關電源，即220V市電經AC/DC/AC/變換成高于20kHz的高頻電壓，輸入到高頻升壓變壓器去起動霓虹燈，如果不考慮產品的經濟性，就比較容易設計，性能也可以做得很好。但是這樣設計出來的產品，成本將會很高，無法進入市場。這也是電子式霓虹燈在技術上提高較慢的根本原因。因此，必須在滿足成本要低而且性能要好的條件下進行設計，難度是很大的。

　　3.1 以變壓器為中心進行設計

　　設計開關電源時，一般都是以電路為中心進行設計，然后要求開關變壓器滿足電路的性能。如果采用這種設計方法就很難達到電子式霓虹燈變壓器的要求。為此必須以變壓器為中心進行設計，因為只有高漏抗的變壓器才能滿足霓虹燈的工作特性，而電路則處于滿足變壓器漏抗要求的輔助地位。

　　3.2 最佳漏感設計

　　設計開關電源時，希望開關變壓器的漏感不要太大，以免由漏感產生的尖峰電壓損壞開關管。但是，從電子式霓虹燈變壓器的負載特性可知，在最佳燈管工作電流下需要一個最佳漏感。此漏感比一般開關電源變壓器的漏感大得多，因為它的圈數有數千圈，漏感是與圈數的平方成正比的。 　　在設計電子式霓虹燈變壓器時，首先應確定繞組的漏磁結構，再根據功率選擇合適的磁心，但應適當加大(計算方法與開關變壓器相同)。然后按照變壓器輸出空載電壓和燈管工作電壓以及開關頻率確定漏抗，最后計算出漏感(計算出的漏感值是不準確的，需要經過實驗加以修正)。同時根據需要確定電路。

　　3.3 電路的選擇原則

　　各種單端和雙端的無工頻變壓器的開關電源型式均可做為電子式霓虹燈變壓器的開關電源。但是必須滿足成本要低、性能要好的要求。因此設計時在滿足性能要求的前提下，電路必須簡單，元器件必須要少。

　　從電子式霓虹燈變壓器的工作特性(如尖峰電壓高)等考慮，一般采用半橋式比較合適。

　　3.4 開關管的安全工作區(qū)與變壓器高壓繞組的絕緣

　　電子式霓虹燈變壓器因為漏感大、其尖峰電壓>1000V，因此必須考慮開關管阻斷電壓的選擇及緩沖電路的計算，使開關管工作在安全區(qū)。

　　電子式霓虹燈變壓器輸出端的空載電壓高達十余kV，因此，必須重視高低壓繞組間及與地間的絕緣設計。理想的絕緣結構是采用環(huán)氧樹脂灌注繞組，灌注厚度不應小于3mm。 上述兩個設計環(huán)節(jié)是提高產品可*性的保證，也是產品質量保障體系中的重點。

　　3.5 提高亮度的途徑

　　亮度低是多數電子式霓虹燈變壓器存在的問題，也是推廣使用的障礙之一。可以考慮從兩方面著手進行設計。

　　1)加大輸出功率。電感式霓虹燈變壓器的輸出功率約為250W，電子式霓虹燈變壓器由于頻率高，可以考慮加大至130～180W(頻率低的功率可大一些，頻率高的可小一些)。

　　2)提高開關頻率。開關頻率可以設計為20～80kHz。

　　從上述兩方面改善以后，估計亮度可以從800～1100流明提高至1500流明，甚至更高。

　　4 結束語

　　本文提出從五個方面進行電子式霓虹燈變壓器的設計，其中有經驗和教訓，也有設計策略，不一定正確，敬請批評指正。今后要深入研究的工作還比較多，如：提高頻率可以提高亮度的原理、利用計算機進行仿真以便從理論上提高設計水平、如何增加電子式霓虹燈變壓器點燃燈管的長度(目前國內為12m)、如何進一步推廣使用等。
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