Требование к вашему последнему проекту с питанием от сети переменного тока, казалось бы, совсем простое: предусмотреть отчетливо светящийся индикатор, показывающий, что устройство подключено к сети и что питание включено, то есть что сеть исправна, и кнопка включения нажата. Это необходимо как для удобства пользователя, так и для быстрого устранения неполадок, если устройство кажется «мертвым», хотя предположительно должно быть включенным.
Один из очевидных подходов – не усложнять и просто взять немного энергии из любой доступной в устройстве шины постоянного тока, чтобы обеспечить порядка 20 мА для питания красного светодиода. Если подходящей шины нет, для управления светодиодом можно добавить небольшую схему (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Подключить светодиодный индикатор к сети переменного тока несложно, но для этого требуется множество активных и пассивных компонентов. |
Однако за любым из этих решений скрывается проблема. Во-первых, это вопрос доверия и уверенности в отношении последствий для безопасности. Если по какой-то причине в цепи, управляющей шиной постоянного тока, возникнет неисправность и светодиод не загорится, может возникнуть опасная ситуация, когда пользователь думает, что сеть переменного тока отключена и цепь обесточена, тогда как на самом деле это так.
Даже если это не имеет значения, отдельная схема индикатора является относительно дорогостоящей и сложной для свого простого назначения, несмотря на то, что перечень материалов может быть невелик. Если нет шины постоянного тока, к которой можно было бы подключиться, и требуется понижающий трансформатор, или трансформатор нужен для выполнения нормативных требований по безопасности изоляции, то все это уже не так просто и дешево.
Итак, вы приходите к выводу, что должен быть более дешевый и чисто пассивный способ прямого подключения светодиода к сети переменного тока, и таких способов несколько. Один из «обманных» способов – использовать гасящий резистор, понижающий напряжение, чтобы ограничить сетевое напряжение и ток в соответствии с требованиями к светодиоду (около 20 мА). Но это не обеспечивает постоянства характеристик, создает технические риски, такие как высокая мощность, рассеиваемая резистором, и приводит к мерцанию светодиода на частоте 50/60 Гц.
Еще один вариант – источник питания с гасящим конденсатором, который используется в некоторых коммерческих проектах, когда от источника переменного тока надо получить слаботочную шину постоянного тока (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Схему с гасящим конденсатором также можно использовать для питания светодиода непосредственно от линии сети переменного тока; несмотря на кажущуюся простоту, на самом деле это схема со своими тонкостями, а также с некоторыми проблемами, связанными с соблюдением нормативных требований по безопасности (верхняя схема: 230 В AC, нижняя схема: 110 В AC). |
Опять же, эти схемы влекут за собой проблемы соблюдения норм безопасности и должны быть физически отделены от других частей конструкции. Чтобы соответствовать нормам безопасности, таким как UL, вся схема и ее крошечная печатная плата (если таковая имеется) должны быть физически расположены таким образом, чтобы пользователь был защищен в случае возникновения утечки на корпус. Кроме того, такой подход требует более крупных, дорогостоящих и высоковольтных пассивных компонентов, особенно конденсаторов, которые должны обеспечивать запас безопасности, примерно вдвое превышающий пиковое напряжение в сети.
Реальность такова, что подключить подсхему для светодиодов к линии сети переменного тока не так просто на практике, как может показаться в теории. Вы имеете источник энергии, но преобразовать ее в то, что вам нужно, сложнее как с технической, так и с нормативной точки зрения.
Возвращение в будущее с неоновыми лампами
К счастью, есть проверенное временем и очень надежное решение: используйте небольшую неоновую лампочку и токоограничивающий резистор, которые можно напрямую подключить к линии переменного тока (115 или 230 В), как показано на Рисунке 3. Хотя эта цепь также должна быть надлежащим образом изолирована, она настолько проста и мала, что ее можно заключить в отрезок термоусадочной трубки или защитить аналогичным изолятором.
 |
|
| Рисунок 3. | Чтобы использовать неоновую лампу в схеме с питанием от сети переменного тока, достаточно подключения последовательного токоограничивающего резистора, как показано на схеме (слева); физическая реализация схемы также представляет собой простое соединение (справа). |
Неоновые лампочки появились еще в начале 1900-х годов и бывают самых разных размеров и стилей. Наиболее распространенным на сегодня типом, используемым для индикации, безусловно, является лампа NE-2 длиной 12 мм и диаметром 5 мм (Рисунок 4).
 |
|
| Рисунок 4. | Широко используемая неоновая лампа NE-2 имеет длину около 12 мм и диаметр 5 мм. |
Сопротивление токоограничивающего резистора зависит от размера неоновой лампы, желаемой яркости и ее минимального/максимального допустимого тока.
Обычно это сопротивление для неоновой лампы NE-2 составляет от 50 до 220 кОм для сети 120 В AC и вдвое больше для 220 В. Номинальная мощность резистора также невелика – порядка ¼ ватта или меньше. Проще и надежнее не бывает.
Типичный срок службы неоновой лампы составляет от 20,000 до 50,000 часов, что сопоставимо со сроком службы светодиода. Неоновые лампы также очень прочны и не подвержены влиянию вибрации, механических ударов или частого включения/выключения. Как правило, они работают в широком диапазоне температур от –40 °C до +150 °C и не повреждаются скачками напряжения, вызванными высоковольтными статическими разрядами или переходными процессами в сети. В некотором смысле неоновые лампы похожи на миниатюрные газоразрядные трубки, используемые для защиты схем.
Обратите внимание, что неоновые лампы – это неполяризованные устройства постоянного тока с двумя симметричными электродами. При подаче постоянного напряжения светится один электрод; при изменении полярности светится другой электрод (Рисунок 5). При подключении к источнику переменного тока электроды светятся поочередно; глаз это интегрирует и не видит мерцания.
 |
|
| Рисунок 5. | Неоновая лампа представляет собой не зависящее от полярности разрядное устройство постоянного тока, катод которого светится, как видно из этого «тройного» изображения (слева направо), при положительной полярности на левом выводе (катод справа), при положительной полярности на правом выводе (катод слева) и при питании напряжением переменного тока (катоды чередуются). |
Совместимость с источниками постоянного тока делает неоновый индикатор оптимальным выбором для высоковольтных шин постоянного тока, которые все чаще используются в солнечных батареях, аккумуляторных системах накопления энергии и системах распределения энергии постоянного тока.
Физика сложна, использование тривиально
Напряжения и токи, необходимые для инициирования разряда и последующего свечения, зависят от различных факторов, таких как температура окружающей среды, состав газовой смеси и даже окружающее освещение. При подаче пускового напряжения («инициирования» или «зажигания») – обычно 55–110 вольт переменного тока или 90–140 вольт постоянного тока – газ ионизируется и начинает светиться, что позволяет очень маленькому току проходить от одного электрода к другому.
Как только в лампочке будет инициирован разряд, ионизация газа приведет к тому, что поддерживающее (устойчивое) рабочее напряжение упадет примерно на 10-20 вольт ниже начального напряжения поджига. Это называется характеристикой с «отрицательным сопротивлением» и открывает возможности некоторых интересных приложений, не связанных с индикацией.
Лампа будет гореть до тех пор, пока напряжение не упадет ниже 50 В. Ток утечки через небольшую неоновую лампу в выключенном состоянии очень мал – порядка нескольких сотен микроампер. Рабочий ток после того, как лампа загорится, также невелик для лампочки небольшого размера, и составляет несколько миллиампер.
Физики подробно изучали поведение неонового разряда на протяжении более ста лет и определили каждый из фазовых переходов и вызывающую его причину (Рисунок 6).
 |
|
| Рисунок 6. | На этом подробном изображении трех зон разряда видны некоторые тонкие эффекты и точки перехода. |
Напряжение зажигания зависит от состава газовой смеси и давления в лампе. Обычно газ представляет собой смесь Пеннинга (названную в честь Франса Мишеля Пеннинга), которая содержит 99–99.5% неона и 0.5–1.0% аргона при давлении 1–20 торр (0.13–2.67 кПа); эта смесь имеет более низкое напряжение зажигания, чем чистый неон.
Даже не нужно что-то делать самому
Существует более простой способ использования неоновой лампы в качестве индикатора включения сети переменного тока, чем соединение лампы и резистора и последующая изоляция сборки. Можно приобрести лампу и резистор в качестве готового к использованию изделия в герметичном корпусе для монтажа на панель с возможностью выбора между проволочными выводами, лепестками под пайку или быстросочленяемыми контактами.
Для большего удобства и упрощения физического расположения многие клавишные переключатели выпускаются со встроенными неоновыми индикаторами. Такое сочетание клавишного переключателя со встроенной лампой также привносит в конструкцию и его работу интуитивно понятный аспект «человеческого интерфейса», поскольку действие переключателя и связанная с ним подсветка визуально и физически связаны.
Существует множество случаев, когда старая технология все еще может быть законным или даже наилучшим решением для современных задач проектирования. Хотя в низковольтных устройствах светодиодные индикаторы в значительной степени вытеснили неоновые, неон по-прежнему остается весьма жизнеспособным вариантом для индикации в сетях переменного тока.
Неоновые лампы доступны в различных вариантах корпусов, включая «голую» лампочку, для крепления на панели и с клавишным выключателем, что еще больше повышает их практичность и универсальность для различных дизайнерских решений.
