霓虹灯的控制技术

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（3KV~6KV,15~60mA）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1～3个跳线随意实现2～8段程序的组合应用；通过三位DIP开关可以设定2～8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0~16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，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