电子式霓虹灯变压器的设计

1引言
   　　随着社会主义市场经济的发展，伴随着精神、物质文明建设的需要，对城市光亮美化的要求越来越高。霓虹灯作为商品宣传的传统手段已成为城乡亮光工程的主要风景线之一，对其在数量上和质量上的要求亦相应提高，而为霓虹灯配套的变压器也将成为城市亮光工程和商品宣传中不可缺少的元件。
   　　世界上第一支商业性霓虹灯的出现是在1910年，我国第一次制成的霓虹灯是在1927年。为霓虹灯配套的电感式霓虹灯变压器，其生产技术仍沿用至今。它存在着耗电大（功率因数为0.5～0.6）、重量重（8～1kg）、体积大、寿命短（因为温升高）等问题。尤其是耗电大的问题尤为严重，据了解北京市对电感式霓虹灯变压器的年需要量为100万台。假设每台变压器每天平均使用4小时，则每年耗电量为190万度（千瓦时），与功率因数为0.9的电子式霓虹灯变压器比较，相当于一座中型发电站的电力被白白浪费了，就全国而言，浪费的电力更为严重。
   　　从节能考虑霓虹灯变压器的升级换代已成为当前急需解决的一个课题。电子式霓虹灯变压器是升级换代比较理想的产品，与电感式产品比较，它具有节能（功率因数为0.9～接近于1）、重量约轻4倍左右、体积减小1/3、寿命长、具有灯管开路和短路的全自动保护功能及亮度不随输入市电电压变化而改变等优点。
   　　但是，目前市场上出现的许多种电子式霓虹灯变压器还不够理想。例如：基本上只能用于室内（因为是开放式结构）、亮度不够高、自动保护系统的可靠性差和成本高等，技术经济性已成为推广应用它的主要障碍之一。
   　　由于公开发表的技术专着较少，蔡祖泉同志的《霓虹灯原理与制造技术》一书是我国第一次全面论述霓虹灯和它的变压器的原理与制造的技术着作，它对提高我国霓虹灯工业的技术水平起到了很大的作用。但是如何进行电子式霓虹灯变压器的设计则论述较少。其他报刊发表的论文和专刊也只有具体的电路而未涉及如何进行设计的问题。本文对如何设计的问题进行一些探讨。
   2电子式霓虹灯变压器的负载特性
   冷阴极霓虹灯是在灯管内的低气压惰性气体被高压击穿后，产生辉光放电而发光。霓虹灯进入正常辉光放电状态时，维持恒定放电电流的灯管压降不很高，通常为一个恒定值。一个10m长的霓虹灯，一般起辉电压约为15kV左右，灯管工作电压约为8～10kv左右，工作电流约为20～60mA。适应霓虹灯这种工作特性的电源即俗称漏磁变压器的电感式霓虹灯变压器。它实质上是一高漏抗变压器，其伏安特性如图1所示。
   图中曲线a是变压器的负载特性曲线，曲线和横轴的交点是变压器的短路电流，它大于灯管的工作电流。曲线和纵轴的交点是变压器输出端的空载电压，此电压高于灯管的起动电压。曲线b是冷阴极辉光放电霓虹灯的伏安特性曲线。曲线a、b的交点p就是霓虹灯的稳定工作点。
   
   图1
   电子式霓虹灯变压器和电感式产品一样，也是一个高漏抗变压器，其负载特性也是非线性的。但是它的起辉电压、工作电压和工作电流均比电感式的低一些，这是由于它的工作频率高所决定的。
   3电子式霓虹灯变压器的设计
   电子式霓虹灯变压器实质上是个开关电源，即220V市电经AC/DC/AC/变换成高于20kHz的高频电压，输入到高频升压变压器去起动霓虹灯，如果不考虑产品的经济性，就比较容易设计，性能也可以做得很好。但是这样设计出来的产品，成本将会很高，无法进入市场。这也是电子式霓虹灯在技术上提高较慢的根本原因。因此，必须在满足成本要低而且性能要好的条件下进行设计，难度是很大的。
   3.1以变压器为中心进行设计
   设计开关电源时，一般都是以电路为中心进行设计，然后要求开关变压器满足电路的性能。如果采用这种设计方法就很难达到电子式霓虹灯变压器的要求。为此必须以变压器为中心进行设计，因为只有高漏抗的变压器才能满足霓虹灯的工作特性，而电路则处于满足变压器漏抗要求的辅助地位。
   3.2最佳漏感设计
   设计开关电源时，希望开关变压器的漏感不要太大，以免由漏感产生的尖峰电压损坏开关管。但是，从电子式霓虹灯变压器的负载特性可知，在最佳灯管工作电流下需要一个最佳漏感。此漏感比一般开关电源变压器的漏感大得多，因为它的圈数有数千圈，漏感是与圈数的平方成正比的。
   在设计电子式霓虹灯变压器时，首先应确定绕组的漏磁结构，再根据功率选择合适的磁心，但应适当加大（计算方法与开关变压器相同）。然后按照变压器输出空载电压和灯管工作电压以及开关频率确定漏抗，最后计算出漏感（计算出的漏感值是不准确的，需要经过实验加以修正）。同时根据需要确定电路。
   3.3电路的选择原则
   　　各种单端和双端的无工频变压器的开关电源型式均可做为电子式霓虹灯变压器的开关电源。但是必须满足成本要低、性能要好的要求。因此设计时在满足性能要求的前提下，电路必须简单，元器件必须要少。
   　　从电子式霓虹灯变压器的工作特性（如尖峰电压高）等考虑，一般采用半桥式比较合适。
   3.4开关管的安全工作区与变压器高压绕组的绝缘
   　　电子式霓虹灯变压器因为漏感大、其尖峰电压>1000V，因此必须考虑开关管阻断电压的选择及缓冲电路的计算，使开关管工作在安全区。
   　　电子式霓虹灯变压器输出端的空载电压高达十余kV，因此，必须重视高低压绕组间及与地间的绝缘设计。理想的绝缘结构是采用环氧树脂灌注绕组，灌注厚度不应小于3mm。
   　　上述两个设计环节是提高产品可靠性的保证，也是产品质量保障体系中的重点。
   3.5提高亮度的途径
   亮度低是多数电子式霓虹灯变压器存在的问题，也是推广使用的障碍之一。可以考虑从两方面着手进行设计。
   （1）加大输出功率。电感式霓虹灯变压器的输出功率约为250W，电子式霓虹灯变压器由于频率高，可以考虑加大至130～180W（频率低的功率可大一些，频率高的可小一些）。
   （2）提高开关频率。开关频率可以设计为20～80kHz。
   　　从上述两方面改善以后，估计亮度可以从800～1100流明提高至1500流明，甚至更高。
   4结束语
       本文提出从五个方面进行电子式霓虹灯变压器的设计，其中有经验和教训，也有设计策略，不一定正确，敬请批评指正。今后要深入研究的工作还比较多，如：提高频率可以提高亮度的原理、利用计算机进行仿真以便从理论上提高设计水平、如何增加电子式霓虹灯变压器点燃灯管的长度（目前国内为12m）、如何进一步推广使用等。