Neonlampe als Option für die Netzspannungsanzeige

Sie haben eine scheinbar einfache Anforderung an Ihr neuestes netzbetriebenes Projekt: eine Leuchtanzeige, die deutlich anzeigt, dass das Gerät an das Stromnetz angeschlossen und eingeschaltet ist. Das ist sowohl für die Benutzerfreundlichkeit als auch für eine schnelle Fehlersuche erforderlich, wenn das Gerät beim vermeintlichen Einschalten „tot“ erscheint.

Ihre erste Idee ist es, es einfach zu halten und einfach ein wenig Strom von einer verfügbaren Gleichstromschiene im Produkt zu ziehen, um etwa 20 Milliampere (mA) zu liefern, um eine rote LED zu betreiben. Wenn keine geeignete Schiene zur Verfügung steht, können Sie eine kleine Schaltung zur Ansteuerung der LED hinzufügen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Es ist nicht schwer, eine LED-Anzeige über die Wechselstromleitung zu betreiben, aber es sind mehrere aktive und passive Komponenten erforderlich. (Bildquelle: International Light Technologies, Inc.)

Allerdings gibt es bei beiden Lösungen ein Problem. Erstens geht es um die Glaubwürdigkeit und das Vertrauen, was sich auch auf die Sicherheit auswirkt. Wenn der Schaltkreis, der diese Gleichstromschiene steuert, fehlerhaft ist und die LED nicht leuchtet, ergibt sich möglicherweise ein Sicherheitsproblem, da der Benutzer denkt, dass die Wechselstromleitung unterbrochen ist und der Schaltkreis nicht unter Spannung steht, obwohl dies tatsächlich der Fall ist.

Selbst wenn das kein Problem darstellt, ist der separate Anzeigeschaltkreis relativ teuer und kompliziert für seine Aufgabe, selbst wenn die Stückliste kurz ist. Wenn es keine Gleichstromschiene gibt, die man abgreifen kann, und man einen abwärtswandelnden Transformator oder einen Transformator für die sicherheitstechnische Isolierung benötigt, sind die Dinge nicht mehr einfach und billig.

Es muss also eine kostengünstigere, rein passive Möglichkeit geben, eine LED direkt an die Wechselstromleitung anzuschließen - und die gibt es auch. Zu den Möglichkeiten gehört die Kondensator-Tropfenstromquelle („Capacitor-Dropper Supply“), die in einigen kommerziellen Designs verwendet wird, wenn eine Gleichstromschiene mit niedrigem Strom von einer Wechselstromquelle benötigt wird (Abbildung 2). Sie könnte für die Ansteuerung einer LED verwendet werden.

Abbildung 2: Eine Kondensator-Tropfenstromquelle („Capacitor-Dropper Supply“) kann verwendet werden, um eine LED direkt von der Wechselstromleitung zu betreiben; trotz ihrer scheinbaren Einfachheit handelt es sich in Wirklichkeit um eine Schaltung mit Feinheiten, die auch einige regulatorische und sicherheitstechnische Probleme mit sich bringt. (Bildquelle: Turbokeu.com)

Auch diese Schaltkreise sind mit rechtlichen und sicherheitstechnischen Bedenken und Problemen verbunden, da sie von anderen Teilen der Konstruktion physisch getrennt sein müssen. Um Sicherheitsvorschriften wie die von UL zu erfüllen, muss der gesamte Schaltkreis - und seine winzige Leiterplatte (falls vorhanden) - physisch so angeordnet sein, dass der Benutzer bei einem Fehler am Gehäuse geschützt ist. Außerdem erfordert dieser Ansatz größere, kostspieligere passive Komponenten mit höherer Spannung (insbesondere die Kondensatoren, die eine Sicherheitsmarge von etwa dem Doppelten der Netzspannungsspitze bieten müssen).

In der Praxis ist das Hinzufügen eines Teilstromkreises für die Netzspannungsanzeige mit LEDs nicht so einfach, wie es „auf dem Papier“ erscheinen mag.

Mit Neonlampen zurück in die Zukunft

Zum Glück gibt es eine bewährte und äußerst zuverlässige Lösung: eine kleine Neonlampe und ein Strombegrenzungswiderstand (Abbildung 3), die direkt an die Wechselstromleitung (120 oder 240 Volt Wechselstrom (VAC)) angeschlossen werden können. Dieser Stromkreis muss zwar auch ordnungsgemäß isoliert werden, ist aber so einfach und klein, dass er mit Schrumpfschlauch oder ähnlichem isoliert werden kann.

Abbildung 3: Um eine Neonlampe mit einer Wechselstromleitung als Stromquelle zu verwenden, ist lediglich ein strombegrenzender Vorwiderstand erforderlich, wie das Schaltbild zeigt (links); die physische Umsetzung des Schaltbilds ist ebenfalls eine einfache Verbindung (rechts). (Bildquelle: Bristol Watch Co.)

Neonlampen gibt es seit den frühen 1900er Jahren und sie sind in verschiedenen Größen und Ausführungen erhältlich. Die bei weitem gebräuchlichste Größe für Indikatoren ist allgemein als NE-2-Lampe bekannt. Ein gutes Beispiel ist die 4PAK:WX-EGA2-0 von Interlight. Sie ist 12 Millimeter (mm) lang und hat einen Durchmesser von 5 mm (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die weit verbreitete Neonlampe NE-2 ist etwa 12 mm lang und hat einen Durchmesser von 5 mm. (Bildquelle: Interlight)

Der Wert des Strombegrenzungswiderstands hängt von der Größe der Neonlampe, der gewünschten Helligkeit und der minimalen/maximalen Strombelastbarkeit ab. Bei einer NE-2 beträgt dieser Wert in der Regel 50 bis 220 Kiloohm (kΩ) für 120-VAC-Netze und den doppelten Wert für 220-VAC-Netze. Die Nennleistung des Widerstands liegt in der Größenordnung von ¼ Watt oder weniger. Einfacher geht's nicht - und zuverlässiger auch nicht.

Die Neonlampe hat eine lange Lebensdauer von 20.000 bis 50.000 Stunden, was mit einer LED vergleichbar ist. Neonlampen sind außerdem sehr robust und werden durch Vibrationen, mechanische Stöße oder häufiges Ein- und Ausschalten nicht beeinträchtigt. Sie arbeiten in der Regel in einem weiten Temperaturbereich von -40°C bis +150°C und sind nicht anfällig für Schäden durch Spannungstransienten wie statische Hochspannungsentladungen oder Leitungstransienten. In gewisser Weise ähneln Neonlampen den Miniatur-Gasentladungsröhren (GDTs), die zum Schutz von Stromkreisen verwendet werden.

Beachten Sie, dass Neonlampen nicht polarisierte Gleichstromkomponenten mit zwei symmetrischen Elektroden sind. Wenn Gleichstrom angelegt wird, leuchtet eine Elektrode; wenn der Gleichstrom umgekehrt wird, leuchtet die andere Elektrode (Abbildung 5). Wenn sie an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist, leuchten die Elektroden abwechselnd. Das Auge integriert diese schnellen Wechsel und nimmt das Flimmern nicht wahr.

Abbildung 5: Die Neonlampe ist eine polaritätsunabhängige, gleichstrombetriebene Entladungsvorrichtung mit einer Kathode, die leuchtet, wie in diesem „Dreifach“-Bild (von links nach rechts) mit positiver Polarität auf dem linken Draht (Kathode rechts), auf dem rechten Draht (Kathode links) und angetrieben durch eine Wechselstromwellenform (Kathode alternierend) zu sehen ist. (Bildquelle: Wikiwand)

Diese inhärente Kompatibilität mit Gleichstromquellen macht den Neon-Indikator zu einer praktikablen Wahl für Projekte mit Gleichstromschienen höherer Spannung, die zunehmend mit Solarzellen, Batteriespeichersystemen (BESS) und Gleichstromverteilern verwendet werden.

Ein Selbstbau ist nicht nötig

Es gibt eine einfachere Möglichkeit, eine Neonlampe als Netzanzeige zu verwenden, ohne die Lampe und den Widerstand zu verdrahten und die Baugruppe dann zu isolieren. Sie können die Lampe und den Widerstand als Schalttafelanzeige in einem gebrauchsfertigen, versiegelten Gehäuse für die Schalttafelmontage mit einer Auswahl an Drahtleitungen, Lötanschlüssen oder Schnellanschlussklemmen erhalten. Eine solche Komponente ist der Neon-Schalttafelindikator NL589C2A von Bulgin Limited (Abbildung 6).

Abbildung 6: Durch den Kauf eines Neonindikators wie dem NL589C2A mit einem Vorwiderstand in einem Gehäuse zur Schalttafelmontage werden Verdrahtungs- und Sicherheitsprobleme stark minimiert. (Bildquelle: Bulgin Limited)

Zur weiteren Vereinfachung werden viele Wippschalter mit integrierten Neonanzeigen angeboten. Der H8553VBBR2-B von Bulgin ist ein Beispiel für diesen Ansatz (Abbildung 7). Es handelt sich um einen zweipoligen Einschalter (DPST) für 15 Ampere (A), 120/240 VAC, der platzsparend und einfach zu verdrahten ist und in die Schalttafel eingebaut werden kann.

Abbildung 7: Durch die Integration der Neonlampe und des Widerstands in die Wippe des Schalters sparen die Entwickler Platz, vereinfachen die Verdrahtung und reduzieren die Materialliste. (Bildquelle: Bulgin Limited)

Die Kombination eines Wippschalters mit einer internen Lampe bringt auch einen intuitiven Aspekt für die Benutzerschnittstelle in das Design und die Bedienung, da die Betätigung des Schalters und die damit verbundene Beleuchtung visuell und physisch miteinander verbunden sind.

Die bequeme Montage und Verdrahtung sowie die logische Sinnhaftigkeit von Wippschaltern mit eingebauten Neonlampen ist einer der Gründe, warum sie in Steckdosenleisten weit verbreitet sind. Typisch dafür sind Einheiten wie die Steckdosenleiste 6SPDX von Tripp Lite, ein Gerät mit 6 Steckdosen und einem 6 Fuß (ca. 1,8 Meter) langen Netzkabel (Abbildung 8).

Abbildung 8: Die technischen, produktionstechnischen und benutzerorientierten Vorteile des Wippschalters mit integrierter Neonlampe machen ihn zu einer guten Wahl für Steckdosenleisten, die von verbraucherorientierten (im Bild) bis hin zu schweren gewerblichen und industriellen Einheiten reichen. (Bildquelle: Tripp Lite)

Fazit

Es gibt viele Fälle, in denen eine alte Technologie immer noch eine legitime oder sogar die beste Lösung für moderne Designherausforderungen sein kann. Während LED-Anzeigen die Neonlampen für Niederspannungslösungen weitgehend verdrängt haben, sind Neonlampen immer noch eine sehr einfache und praktikable Option für die Netzspannungsanzeige in Wechselstromleitungen. Die Lampen sind ohne Gehäuse oder in verschiedenen Gehäuseoptionen erhältlich, inklusive Wippschalter und Optionen für die Schalttafelmontage, was ihren Nutzen und ihre Vielseitigkeit für viele Designsituationen weiter erhöht.

Externe Referenzen

• Wikipedia, „Neonlampe“ (grundlegende Referenz)
• Wikiwand, „Neonlampe“ (technisch mit umfangreichen Referenzen)
• International Light Technologies, Inc., „Neonlampen: Anwendung und technische Hinweise“ (Technik und Anwendungen)
• Datenblatt-Archiv, „Chicago Miniature NE-2 Datasheet“ (ausführliches Datenblatt)
• Science History Institute „A Blaze of Crimson Light: Die Geschichte des Neons“ (Geschichte)
• Neon Library, „Neon History“ (Geschichte)