霓虹灯的控制技术

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1、霓虹灯的控制技术 （上）一、霓虹灯的工作原理霓虹灯是一种冷阴极的低压气体辉光放电管，内置没有灯丝的电极，由高压轰击产生冷电子 发射，激发弧光放电使管内气体原子受激辐射发光。霓虹灯管工作时呈现负阻特性，需要由专用 的高压变压器（3KV6KV,1560mA）来驱动，在霓虹灯起辉瞬间能够提供较高的击穿电压， 稳定发光后将电压降到一个较低的数值，因此驱动变压器具有镇流作用。为了改善其工作特性和 得到指定的颜色，常常充入几百帕斯卡压强的惰性气体与少量的金属汞。如果在灯管中充入纯氖 气、汞氖气、汞氩气，或者涂覆荧光粉将显示不同的颜色。一个能够独立控制的霓虹灯管只能显示一种颜色，若要显示人眼可见的丰富的色彩

2、，需要用 几种单色的灯管通过加色法混合产生。常用的方法是由红绿兰三个基色组合构成一个彩色显示单 元，如果分别控制这三个基色灯管的亮灭，就可以产生七种颜色。分别是：红色、红色+绿色= 黄色、绿色、绿色+兰色=青色、兰色、兰色+红色=紫色、红色+绿色+兰色=白色。如果通过 微处理器分别控制这三个基色灯管的亮度，那么可以合成千变万化的色彩，与控制霓虹灯管亮灭 方式不同。若三个灯管的亮度同向同幅度变化，合成色将产生饱和度的变化（颜色深浅）；若三 个灯管的亮度分别自由变化，合成色将产生色调的变化（颜色不同）。如果每个基色灯管的亮度 调节范围不大于128级，那么三基色合成颜色的最大数目约为 200 万色。

3、霓虹灯的亮度调节和色彩合成需要专用的调光控制设备。早期的霓虹灯控制采用机械式高压 跳机实现，可靠性差、干扰大、速度慢、故障率高，现在已经难觅踪影。随着霓虹灯技术的进步， 广泛采用微电子技术设技实现，具有较强的灵活性和较高的可靠性。既可以对霓虹灯进行亮灭控 制，又可以进行数字化调光混色，产生千变万化、五彩缤纷的色彩，大大地增强了霓虹灯的渲染 效果，代表了霓虹灯调光技术的最新水平，是霓虹灯控制技术发展的必然产物。二、霓虹灯的控制技术1、多功能彩灯控制器，一般采用时序逻辑集成电路设计，如图一所示的电路使用了一片四 D 锁存器74LS175。通过设置五选一跳线，最多有5个控制花样可以选择，电路结构简单

4、，成本 较低，稳定可靠，大量应用于流水灯和跑马灯带的控制。 另一种方案采用彩灯专用集成电路 SH803 或者 SH805 设计，如图二所示。片载同步过零检测器， SH805 内置的控制花样多达 16 种，通过一个轻触按键选择并锁定花样，并有渐变调光效果，其简易设计版本大量地应用于 各种节日彩灯串的控制。2、普通型霓虹灯程序控制器，可以按照预定的程序对霓虹灯实现复杂化和多样化的控制。在 图三电路中，用异步二进制分频器 4024 取得电网的同步信号，采用异步地址发生器 4040 驱 动程序存储器，顺序取出先前定制的灯光控制程序，用来驱动数据端口上的三极管。这种程序控 制器设计可靠，技术成熟，性能稳

5、定，采用同步过零触发技术，减少了对电网的污染，提高了可 控硅的可靠性，无感应，冲击小，有大量的扫描程序支持，是业界应用最为广泛的产品。3、超级彩灯控制器，本质上仍然是程序控制器，只是电路结构及其适用范围有些不同，没有 设计同步及过零检测电路，适合于单机独立使用，参见图四。使用 4060 作为地址发生器驱动 存储器，将整个存储器空间均匀地分割为32 个程序段，内置多种千变万化的彩灯程序，通过设 置五位DIP开关可以选择任何一段，也可以取下13个跳线随意实现28段程序的组合应用； 通过三位DIP开关可以设定28路控制输出，能够非常灵活地应用到各种小规模的灯光控制 中。4、调光型霓虹灯程序控制器，采

6、用常规的集成电路如运算放大器、异步地址发生器和只读程 序存储器设计，是从普通型霓虹灯程序控制器演化得到的，但结构要复杂些，电路原理见图五， 时序图见图六。由两个运放单元PB和PD进行同步信号的取样、延迟和整型，以便在交流电过 零点附近取得下跳沿的同步脉冲用于地址计数，由 4040 和 4024 级联组成15位地址发生器， 驱动四片程序存储器并行工作。程序存储器的每字节数据是由两组霓虹灯的亮度值组合构成的，也就是用半个字节数据表 示一组霓虹灯亮度，范围是 016 级，八组灯管共四个字节复合数据顺序地存储到四片存储器 的相同地址之中。相应地，每片程序存储器的 8 位数据端口被分为两组，每组通过 4

7、 位数据总 线传送到由运放构成的权值加法器中，进行数模转换得到模拟信号，但还不能直接用于触发可控 硅进行调光，需要进一步的脉冲转换。从运放 PE 得到过零点附近的正幅值窄脉冲，由其后的单向 RC 积分网络完成类锯齿波的 转换，这个类锯齿波的形状就是电容的放电波形，尽管不一定与霓虹灯的亮度曲线完全相符，但 需要用它进行脉冲甄别，将来自权值加法器的模拟亮度值转换为不同时刻的触发脉冲，从而改变 了可控硅的导同角，最终得到了连续变化的灯管亮度。虽然这种电路可以实现基本的调光功能，但本身所固有的缺陷是难以克服的。主要原因是 霓虹灯视觉亮度的非线性无法用简单的类锯齿波来模拟，用类锯齿波作为参考电平进行波形

8、甄别 而得到的触发脉冲序列与霓虹灯的亮度特性不能一致，可能会产生亮度分布不均匀的问题。虽然 可以通过复杂的 RC 网络得到与实际亮度曲线相近的波形，但元件参数对调光效果有较大的影 响，参数变动的灵敏度较高。例如对于图五中的由 D4、 R5 和 C1 组成的简单的单向网络中，如果 C1 没有深度放电就 被充电返回，将严重影响霓虹灯的调光级别，亮度级数大大减少，调光效果粗糙；又如串联在加 权电阻网络R15-R18回路中的一支电阻，参数必须准确，否则将影响数模转换的动态范围，最 终影响触发脉冲序列出现的间距，使调光范围变窄。另一个原因是 16 级的调光范围小一些，调光效果较差，不能满足更高级别的调光

9、需要。 这种电路使用四片程序存储器，结构复杂，成本较高，可靠性低，是霓虹灯调光的初级产品，现 在已很少使用，基本上被渐变型霓虹灯数码调光器所取代。5、渐变型霓虹灯数码调光器，采用微处理器 MCU 设计，性能要高于调光型霓虹灯程序控 制器，与普通的霓虹灯控制器有着本质的区别，如图七所示。通过二进制计数器提供地址来驱动 调光方向控制码存储器和调光增量存储器，将存储在两片存储器的同一地址的调光方向控制码和 调光增量，分别通过两个I/O端口传送给MCU,没有使用MCU的外部数据空间。加载到 I/O 端口上的数据保持时间与速度设置值相关，一般为数十毫秒。 MCU 每隔 10ms 分别读一次两个 I/O

10、端口，得到“复合调光增量-调光方向控制码”数据对儿，尽管这个数据对儿 可能与上个周期相同。为了降低存储器的使用数目，简化电路设计，可以将调光方向控制码和调 光增量交叉合并到一片较大容量的存储器中，但电路结构需要改变，因为需要在每个调光周期迅 速读入两字节的“复合调光增量-调光方向控制码”数据对儿，所以必须将存储器的最低地址线改 由 MCU 控制，以便快速变换地址。进一步说，如果需要在一个调光周期连续读入 8 个字节的数据，那么就需要由 MCU 控制 存储器的三根最低地址线。采用 CMOS 硬件地址计数器驱动存储器的设计方法，出现地址错误 的几率小一些，抗干扰能力强于软件数据指针。但也有问题，M

11、CU不能进行有效的地址备份， 地址计数器一旦发生错误， MCU 无法得到当前的数据位置，也就无从正确恢复运行。6、渐变型霓虹灯数码调光器的另一种电路形式参见图八，表现为电路接口方式有所不同， 是微处理器应用系统的典型结构。调光控灯数据被存储在微处理器的片外只读 RAM 中而不是送 往I/O端口，软件设计灵活，无须改动PCB电路板走线，可以方便地改变数据结构得到产品的 升级版本。可以备份包括数据指针在内的各种过程数据副本，程序运行一旦出现错误，只要措施 得当，能够非常准确地恢复到出错前的位置，真正地做到无扰动重入，从而保证所有数码调光器 的同步运行。三、数码调光器的设计方法1、霓虹灯的渐变调光原

12、理。如图九所示，100Hz的半波脉动直流电等同于50Hz交流电， 微处理器在每个 10ms 半波的初始位置或者交流电过零时刻采集到同步信号，根据读取外部存 储器的亮度控制数据计算出触发脉冲的出现时刻，然后通过微处理器端口控制可控硅导通，输出 与脉冲宽度相对应的缺角正弦波电压，利用人眼的视觉暂留特性，可以看到霓虹灯管不同的平均 亮度，实现了霓虹灯管的调光控制。如果每经过数十毫秒增加一次触发脉冲的宽度，那么就可以 看到灯管的亮度渐渐增加；反之，当匀速缩小触发脉冲的宽度时，灯管的亮度将渐渐减弱。触发 脉冲宽度变化的速率即每级亮度的调节最快为10ms,最慢可达1280ms，但过快或过慢的变 化速率没有

13、实际意义，实践证明，每隔20ms80ms变化一级亮度可以得到较为柔和的视觉效 果。2、实现多彩渐变调光应该具备一定的条件。三基色霓虹灯管应该选用同一厂家的同批材料， 具有相同的材质，相同的生产工艺，批量生产前，一定要试制几根灯管来目测三种基色灯管的亮 度特性是否一致；制灯条件应该相同，确保一致的真空度和老化时间；安装工艺力求规范，霓虹 灯管间距均匀平齐，避免高压线平行或者杂乱绞合。如果条件具备，应该将霓虹灯管安装在具有 漫反射作用的白钢板或者铝合金板上，可以使色彩混合更加均匀柔和。配套的霓虹灯变压器应该 具有启动速度快、启动电压低的特点，内部应该有一只串联在电源输入回路中的电感线圈，用来 抑制

14、电流的上升率，降低损坏功率开关元件的可能性。尽管如此，由于三基色霓虹灯管的亮度特 性不一致，使用相同的激励电压，却不一定能够正确地表现出特定色彩，这就需要霓虹灯编辑软 件在形成代码时对各个基色灯管的亮度分别进行调整，修正亮度误差，尽可能获得相近的亮度特 性。3、供电电源的性质。出于成本的考虑，渐变型霓虹灯数码调光器绝少采用直流电源方案， 否则将因为使用高电压、大容量的滤波电容而增加成本。数码调光器的功率控制器件一般使用可 控硅或者场效应管，由于场效应管不能工作于交流电路中，所以需要将交流电源进行功率整流， 但不进行滤波，变换为脉动直流电源，电路结构较可控硅电路复杂一些；而可控硅则可以直接工 作

15、在交流电回路中，因此不需要功率整流电路。4、关于视觉亮度的意义。所谓视觉亮度，是试图定性描述人眼对霓虹灯管亮度的主观感觉。 而用测光计测量的结果一般不符合人眼的视觉亮度，尽管测光计符合 CIE Photopic 视觉函数 曲线。例如，仪表精确测量的从黑暗到明亮的线性增加的 127 级亮度，在人眼看来并不是线性 变化的，而是在亮度较暗时有较强的跳跃感，在亮度较高时变化很不明显，似乎已经达到饱和亮 度。5、视觉亮度与驱动电压的关系。霓虹灯管的视觉亮度与驱动电压的关系是非线性的，在直 流电路中，如果用白炽灯作为负载，输入电压与输出功率的关系是线性的；但输入电压与视觉亮 度之间的关系却是非线性的；对于

16、负载特性呈现负阻特性的霓虹灯管，两者的关系更为复杂。而 在交流电路中，霓虹灯管的视觉亮度特性更难以用一个数学模型来描述。6、功率开关对调光效果的影响。采用可控硅或场效应管作为功率开关，两者是有一定的区 别的。尽管可控硅可以根据需要在交流电半波的任何时刻开通，但是却不能被控制关断，只能在 交流电过零处自行关断，这个结果不是我们所期望的。由于霓虹灯管的视觉亮度特性不理想，调光时不能取用交流电 10ms 的全部波形（定义交 流电半波右侧波谷为起点Oms,左侧波谷为10ms）,经过多次实验，一般取用交流电波形的 7.5ms至1.2ms之间进行非线性调光。7.5ms以上时霓虹灯管的亮度已经饱和，1.2ms以下 时霓虹灯管的亮度变得不稳定。如果使用可控硅进行调光，在全部视觉亮度级别范围内，每一级 亮度都附加了一个我们所不希望的原始附加值增量，这个增量就是1.2ms的缺角正弦波，对霓 虹灯管的亮度是有贡献的，因此干扰了正常的亮度分级，好在这种作用在快速色彩变换时不太明