不要把氖灯排除在交流电源指示灯之外

来源：Digi-Key

在你最新的交流线路供电的项目中，有一个明显很简单的设计要求：采用明确的发光指示灯，以指示设备已插入线路并且电源已“接通”，这表示线路正常，设备开启。这既是为了方便用户，也是在假定设备开启的情况下出现“死机”时为快速排除故障提供线索。

你首先会想到确保简单，仅从产品中任何可用的直流电源轨吸取少许电能，提供大约 20 mA 电流来驱动一个红色 LED 指示灯。如果没有合适的电源轨，也可增加一个小电路来驱动该 LED 指示灯（图 1）。


图 1：通过交流线路驱动一个 LED 指示灯并不难，只需几个有源和无源器件。（图片来源：International Light Technologies, Inc.）

然而，这两种解决方案都存在一个问题。首先，存在影响安全的可信度和信心问题。如果用来驱动直流电源轨的电路出现故障且 LED 不亮，则可能存在安全问题，即用户认为交流线路被断开，电路不带电，而实际上该电路是带电的。

即使这不是问题，独立的指示灯电路相对于其作用来讲既复杂又毫无性价比可言，尽管材料清单 (BOM) 很小。如没有可分接的直流电源轨，而且还需要降压变压器或用于监管安全隔离的变压器，就会增加复杂性和成本。

因此，你肯定认为有一种成本较低的全无源方式直接将 LED 与交流线路连接——而且这种方法确实存在。可能的方法之一是“电容降压器”电源。这种设计用在一些商业设计中，当需要从交流电源获得低电流直流电源轨时，就会使用这种电源（图 2）。因此，可以采用这种电路来驱动一个 LED。


图 2：“电容降压器”电路可用于直接从交流线驱动 LED；尽管表面上看起来很简单，但实际上是一种有细微差别的电路，而且还存在一些监管/安全问题。（图片来源：Turbokeu.com）

同样，这些电路带来了监管、安全方面的担忧和问题，因为它们必须与设计中的其他部件进行物理隔离。为了满足诸如 UL 之类的安全规范，整个电路及其微小的电路板（如有）必须进行实际布局，以便在机箱出现故障时保护用户。而且，这种方法需要具有较大的体积和成本、较高电压的无源元件（尤其是电容器，必须具有大约两倍于线路电压峰值的安全裕度。）

实际上，使用 LED 增加一个“带交流电”的子电路在实际中远不是“纸上谈兵”那么容易了。

用氖灯回到未来

幸运的是，我们有一个久经考验、高度可靠的解决方案：使用一个小型氖灯和一个限流电阻（图 3）即可直接连接交流线路（120 VAC 或 240 VAC）。虽然这个电路也必须采取适当的绝缘措施，但它非常小而且简单，可以用热缩管或类似的绝缘方式实现绝缘。


图 3：采用交流电源的氖灯只需要一个限流串联电阻，具体如原理图所示（左）；实现原理图中的连接也仅需简单的互连（右）。（图片来源：Bristol Watch Co.）

氖灯更正确的名称是氖灯泡，自 20 世纪初出现以来就一直用作灯泡，且大小各异、多种多样。到目前为止，氖灯用于指示灯时最常见尺寸一般被称为 NE-2 灯。Interlight 4PAK:WX-EGA2-0 就是一个很好的例子。这种灯泡长12 mm，直径 5 mm（图 4）。


图 4：NE-2 氖灯使用广泛，长约 12 mm，直径 5 mm。（图片来源：Interlight）

限流电阻的大小取决氖灯的尺寸、所需亮度及其最小/最大额定电流。对于 NE-2 来说，在 120VAC 电源下限流电阻通常是 50 kΩ 至 220 kΩ；在 220 VAC 电压下时是前者的两倍。电阻器的额定功率为 1/4 W 或更小。没有比这更简单、更可靠的方法了。

氖灯寿命长，与 LED 相当，且在 20,000 至 50,000 小时之间。此外，氖灯坚固耐用，不受振动、机械冲击或频繁开/关操作的影响。氖灯通常在 -40°C 至 +150°C 的宽温度范围内工作，不易受到高压静电放电或线路瞬变等电压瞬变的损害。在某些方面，氖灯与用于电路保护的微型气体放电管 (GDT) 类似。

请注意，氖灯是具有两个对称电极的非极化直流器件。当施加直流电压时，一个电极会发光；如果施加反向直流电，则另一个电极发光（图 5）。当连接交流电源时，电极会交替发光。眼睛会整合这一点，因此看不到闪烁。


图 5：在以上三幅图中（从左到右），左侧线上正极（阴极在右边）、右侧线上正极（阴极在左边）以及由交流波驱动（阴极交替），由此可见，氖灯是一种阴极会发光的无极性直流驱动放电器件。（图片来源：Wikiwand）

这种与直流源的固有兼容性使氖灯成为较高电压直流电源轨设计的可行选择，这些电源轨正越来越多地用于太阳能电池板、电池蓄能系统 (BESS) 和直流配电。

无需 DIY

有一种更简单的方法将氖灯设计为交流电接通指示灯，不需要将灯和电阻连接，再进行组件绝缘。你可以把灯和电阻作为面板指示灯，封装在随时可用的密封式面板安装外壳中，还可选择电线引线、焊接端子或快连端子。Bulgin Limited 的 NL589C2A 氖灯指示灯就是这样一种器件（图 6）。


图 6：通过购买具有串联电阻并采用面板安装外壳的氖灯指示灯，就可大大减少布线和安全问题，例如 NL589C2A 等器件。（图片来源：Bulgin Limited）

为了进一步方便和简化物理布置，许多摇臂开关都采用了内置式氖灯指示灯。Bulgin 的 H8553VBBR2-B 就是这种方法的典范器件（图 7）。这是一款 15 A 的双刀单掷 (DPST)、120/240 VAC 器件，采用咬接式面板安装设计，节省了空间并简化了系统布线。


图 7：通过将氖灯及其电阻置于开关的摇臂中，可节省空间，简化布线并减小材料清单。（图片来源：Bulgin Limited）

这种将摇臂开关与内部灯的组合做法还为设计、操作带来了直观的“人机接口”，因为该开关的动作和相关的照明在视觉和物理上是都有联系的。

安装和布线的便利性，以及采用氖灯内置式电源指示灯的摇臂开关带来的逻辑敏感性，是这类器件广泛用于交流电源插板的原因之一，其典型产品是 Tripp Lite 6SPDX 电源插板，一个带有 6 英尺电源线的 6 插孔电源插板（图 8）。


图 8：带有一体式氖灯摇臂开关在技术、生产和用户关注度方面的优势使其成为交流电源插板的良好选择，从面向消费者的电源插板（如图）到重型商业、工业级电源插板。（图片来源：Tripp Lite）

结语

在许多情况下，一项旧技术仍然能成为应对现代设计挑战的合理的，甚至是最佳的解决方案。虽然 LED 指示灯在很大程度上已经淘汰了低压解决方案中的氖灯，但对于交流线路指示方案来说，后者仍是不失为一种非常简单、可行的选择。氖灯的封装多种多样，包括裸灯泡、面板安装和摇臂开关，这进一步提高了它们在许多设计中的实用性和通用性。