電子式霓虹燈變壓器的設(shè)計(jì)原理
1 引言
隨著社會主義市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，伴隨著精神、物質(zhì)文明建設(shè)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(fēng)景線之一，對其在數(shù)量上和質(zhì)量上的要求亦相應(yīng)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(xiàn)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(chǎn)技術(shù)仍沿用至今。它存在著耗電大(功率因數(shù)為0.5～0.6)、重量重(8～1kg)、體積大、壽命短(因?yàn)闇厣?等問題。尤其是耗電大的問題尤為嚴(yán)重，據(jù)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(shè)每臺變壓器每天平均使用4小時(shí)，則每年耗電量為190萬度(千瓦時(shí))，與功率因數(shù)為0.9的電子式霓虹燈變壓器比較，相當(dāng)于一座中型發(fā)電站的電力被白白浪費(fèi)了，就全國而言，浪費(fèi)的電力更為嚴(yán)重。
從節(jié)能考慮霓虹燈變壓器的升級換代已成為當(dāng)前急需解決的一個(gè)課題。電子式霓虹燈變壓器是升級換代比較理想的產(chǎn)品，與電感式產(chǎn)品比較，它具有節(jié)能(功率因數(shù)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(hù)功能及亮度不隨輸入市電電壓變化而改變等優(yōu)點(diǎn)。
但是，目前市場上出現(xiàn)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(nèi)(因?yàn)槭情_放式結(jié)構(gòu))、亮度不夠高、自動保護(hù)系統(tǒng)的可*性差和成本高等，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性已成為推廣應(yīng)用它的主要障礙之一。
由于公開發(fā)表的技術(shù)專著較少，蔡祖泉同志的《霓虹燈原理與制造技術(shù)》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(shù)著作，它對提高我國霓虹燈工業(yè)的技術(shù)水平起到了很大的作用。但是如何進(jìn)行電子式霓虹燈變壓器的設(shè)計(jì)則論述較少。其他報(bào)刊發(fā)表的論文和專刊也只有具體的電路而未涉及如何進(jìn)行設(shè)計(jì)的問題。本文對如何設(shè)計(jì)的問題進(jìn)行一些探討。
2 電子式霓虹燈變壓器的負(fù)載特性
冷陰極霓虹燈是在燈管內(nèi)的低氣壓惰性氣體被高壓擊穿后，產(chǎn)生輝光放電而發(fā)光。霓虹燈進(jìn)入正常輝光放電狀態(tài)時(shí)，維持恒定放電電流的燈管壓降不很高，通常為一個(gè)恒定值。一個(gè)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(yīng)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(shí)質(zhì)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(fù)載特性曲線，曲線和橫軸的交點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)p就是霓虹燈的穩(wěn)定工作點(diǎn)。
電子式霓虹燈變壓器和電感式產(chǎn)品一樣，也是一個(gè)高漏抗變壓器，其負(fù)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(shè)計(jì)
電子式霓虹燈變壓器實(shí)質(zhì)上是個(gè)開關(guān)電源，即220V市電經(jīng)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(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性，就比較容易設(shè)計(jì)，性能也可以做得很好。但是這樣設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品，成本將會很高，無法進(jìn)入市場。這也是電子式霓虹燈在技術(shù)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(jìn)行設(shè)計(jì)，難度是很大的。
3.1 以變壓器為中心進(jìn)行設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，一般都是以電路為中心進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后要求開關(guān)變壓器滿足電路的性能。如果采用這種設(shè)計(jì)方法就很難達(dá)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(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)橹挥懈呗┛沟淖儔浩鞑拍軡M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(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，希望開關(guān)變壓器的漏感不要太大，以免由漏感產(chǎn)生的尖峰電壓損壞開關(guān)管。但是，從電子式霓虹燈變壓器的負(fù)載特性可知，在最佳燈管工作電流下需要一個(gè)最佳漏感。此漏感比一般開關(guān)電源變壓器的漏感大得多，因?yàn)樗娜?shù)有數(shù)千圈，漏感是與圈數(shù)的平方成正比的。 在設(shè)計(jì)電子式霓虹燈變壓器時(shí)，首先應(yīng)確定繞組的漏磁結(jié)構(gòu)，再根據(jù)功率選擇合適的磁心，但應(yīng)適當(dāng)加大(計(jì)算方法與開關(guān)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(guān)頻率確定漏抗，最后計(jì)算出漏感(計(jì)算出的漏感值是不準(zhǔn)確的，需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)加以修正)。同時(shí)根據(jù)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(guān)電源型式均可做為電子式霓虹燈變壓器的開關(guān)電源。但是必須滿足成本要低、性能要好的要求。因此設(shè)計(jì)時(shí)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(guān)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?yàn)槁└写?、其尖峰電?1000V，因此必須考慮開關(guān)管阻斷電壓的選擇及緩沖電路的計(jì)算，使開關(guān)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(dá)十余kV，因此，必須重視高低壓繞組間及與地間的絕緣設(shè)計(jì)。理想的絕緣結(jié)構(gòu)是采用環(huán)氧樹脂灌注繞組，灌注厚度不應(yīng)小于3mm。 上述兩個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是提高產(chǎn)品可*性的保證，也是產(chǎn)品質(zhì)量保障體系中的重點(diǎn)。
3.5 提高亮度的途徑
亮度低是多數(shù)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?？梢钥紤]從兩方面著手進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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(guān)頻率。開關(guān)頻率可以設(shè)計(jì)為20～80kHz。
從上述兩方面改善以后，估計(jì)亮度可以從800～1100流明提高至1500流明，甚至更高。
4 結(jié)束語
本文提出從五個(gè)方面進(jìn)行電子式霓虹燈變壓器的設(shè)計(jì)，其中有經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，也有設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真以便從理論上提高設(shè)計(jì)水平、如何增加電子式霓虹燈變壓器點(diǎn)燃燈管的長度(目前國內(nèi)為12m)、如何進(jìn)一步推廣使用等。
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