《霓虹灯的控制技术.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《霓虹灯的控制技术.doc（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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，需
2、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。 霓虹灯的亮度调节和色
3、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，成本较低，稳定可靠，大量应用
4、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
5、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
6、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，
7、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
8、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
9、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
10、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，MCU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
11、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
12、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
13、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
14、。 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
15、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
16、，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0ms，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显，所以还是愿意使用电路较为简单的可控硅作为功
