AC 파워 온 표시기로 네온 전구 사용

최신 AC 회선 전력 공급 프로젝트에 대해 다음과 같은 단순한 설계 요구를 받았습니다. 장치가 회선에 연결되어 있고 전원이 '켜져' 있음(즉, 회선이 양호하고 장치가 켜져 있음)을 나타내는 분명한 조명 표시기가 있어야 합니다. 이는 예를 들어 스위치를 켰을 때 장치가 '부동' 상태로 나타나는 경우 사용자의 편의와 빠른 문제 해결을 위한 단서 모두에 필요합니다.

가장 먼저 떠오른 생각은 간단함을 유지하면서 제품의 사용 가능한 DC 레일에서 약간의 전력을 끌어와 빨간색 LED를 구동하는 데 필요한 약 20mA를 제공하는 것입니다. 적절한 레일을 사용할 수 없는 경우 해당 LED를 구동하는 작은 회로를 추가할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: AC 회선에서 LED 표시기를 구동하는 것은 어렵지 않지만, 여러 능동 및 수동 부품을 필요로 합니다. (이미지 출처: International Light Technologies, Inc.)

그러나, 이러한 두 솔루션과 관련하여 문제가 있습니다. 먼저, 안전과 관련하여 신뢰성 및 확신의 문제가 있습니다. 해당 DC 레일을 구동하는 회로에 결함이 있어 LED가 켜지지 않는 경우 사용자가 AC 회선이 끊어져 회로가 작동하지 않는다고 생각하는 안전 문제가 있을 수 있지만, 실제로 AC 회선에 문제가 있을 수도 있습니다.

그것이 문제가 되지 않더라도 별도의 표시기 회로는 BOM(부품 명세서)이 짧더라도 기능에 비해 상대적으로 비용이 많이 들고 복잡합니다. 태핑할 수 있는 DC 레일이 없고 강압 변압기 또는 규제 안전 분리를 위한 변압기가 필요한 경우 더 이상 간단하거나 저렴하지 않습니다.

따라서 LED를 AC 회선에 직접 연결하는 더 저렴한 완전 수동 방식이 있어야 한다고 생각하게 되었습니다. 가능성 중에는, AC 전원에서 저전류 DC 레일이 필요한 경우 일부 상업용 설계에 사용되는 '커패시터 드롭퍼'(cap-drop) 공급 장치가 있습니다(그림 2). 따라서 LED를 구동하는 데 사용할 수 있습니다.

그림 2: '커패시터 드롭퍼' 회로를 사용하여 AC 회선에서 직접 LED를 구동할 수 있습니다. 단순성은 명백하지만 실제로는 중요한 세부 요소들이 있는 회로이며 일부 규제/안전 문제도 있습니다. (이미지 출처: Turbokeu.com)

다시 말하지만, 이러한 회로는 설계의 다른 부분과 물리적으로 분리되어야 하므로 규제 및 안전 고려 사항과 문제를 야기합니다. UL의 안전 코드와 같은 안전 코드를 충족하려면 섀시에 결함이 있는 경우 사용자를 보호할 수 있도록 전체 회로와 작은 회로 기판(있는 경우)을 물리적으로 배열해야 합니다. 또한 이 접근 방식은 규모가 더 크고 더 비싸며 더 높은 전압의 수동 부품(특히 라인 전압 피크의 약 두 배에 해당하는 안전 마진을 제공해야 하는 커패시터)을 필요로 합니다.

현실은 LED를 사용하여 'AC 라이브' 하위 회로를 추가하는 것이 '문서'에 표시된 것처럼 쉽지 않다는 것입니다.

네온 램프로 다시 시작하기

다행스럽게도 오랜 시간 동안 검증된 매우 안정적인 솔루션이 있습니다. 즉, 작은 네온 전구와 AC 회선(120VAC 또는 240VAC)에 직접 연결할 수 있는 전류 제한 저항기(그림 3)를 사용하는 것입니다. 이 회로도 적절하게 절연되어야 하지만 작고 단순하기 때문에 열수축 튜브로 덮거나 유사한 방식으로 절연할 수 있습니다.

그림 3: AC 회선이 있는 네온 램프를 전원으로 사용하는 데 필요한 것은 회로도에 표시된 것처럼 전류 제한 직렬 저항기뿐입니다(왼쪽). 회로도의 물리적 구현도 간단한 상호 연결로 충분합니다(오른쪽). (이미지 출처: Bristol Watch Co.)

네온 전구(기능적으로 볼 때 램프라고 부르는 것이 더 적합함)는 1900년대 초부터 사용되어 왔으며 다양한 크기와 스타일로 제공됩니다 표시기용으로 사용되는 가장 일반적인 크기는 대개 NE-2 램프로 알려져 있습니다. Interlight 4PAK:WX-EGA2-0을 예로 들 수 있습니다. 이 장치는 12밀리미터(mm)의 길이와 5mm의 지름을 제공합니다(그림 4).

그림 4: 광범위하게 사용되는 NE-2 네온 램프는 약 12밀리미터(mm)의 길이와 5mm의 지름을 제공합니다. (이미지 출처: Interlight)

전류 제한 저항기의 값은 네온 램프 크기, 원하는 밝기 및 최소/최대 전류 정격에 따라 다릅니다. NE-2의 경우 이 값은 일반적으로 120VAC 주 전원의 경우 50kΩ ~ 220kΩ이고 220VAC의 경우 이 값의 두 배입니다. 저항기의 전력 정격은 ¼와트 이하입니다. 이보다 더 간단하거나 더 안정적이지는 않습니다.

네온 전구는 20,000시간에서 50,000시간 사이의 긴 수명을 제공하며, 이는 LED에 견줄만 합니다. 네온 램프는 또한 매우 견고하며 진동, 기계적 충격 또는 빈번한 켜기/끄기 작동의 영향을 받지 않습니다. 일반적으로 -40°C ~ +150°C의 넓은 온도 범위에서 작동하며 고전압 정전기 방전 또는 회선 과도 전류와 같은 과도 상태로 인한 손상에 민감하지 않습니다. 어떤 면에서 네온 램프는 회로 보호에 사용되는 소형 가스 방전 튜브와(GDT) 유사합니다.

네온 램프는 두 개의 대칭 전극이 있는 비극성 DC 장치입니다. DC가 인가되면 한 전극이 빛납니다. DC가 반전되면 다른 전극이 빛납니다(그림 5). AC 전원에 연결된 경우 전극은 번갈아 빛을 발합니다. 사람의 눈에는 깜박임이 보이지 않고 하나로 보입니다.

그림 5: 네온 램프는 극성에 영향을 받지 않는 DC 구동 방전 장치로, 다음 3개 이미지(왼쪽에서 오른쪽)로 표시할 수 있습니다.즉, 왼쪽 전선 양극성(오른쪽 음극), 오른쪽 전선 양극성(왼쪽 음극), AC 파형으로 구동되는 양극성(음극 교차)을 나타냅니다. (이미지 출처: Wikiwand)

DC 전원과의 고유한 호환성 덕분에 네온 표시등은 태양광 패널, 배터리 에너지 저장 시스템(BESS) 및 DC 분배와 함께 점점 더 많이 사용되고 있는 고전압 DC 레일 설계에 적합한 선택입니다.

DIY 필요 없음

네온 램프를 램프와 저항기를 배선하고 조립품을 절연할 필요가 없는 AC 파워 온 표시기로 설계하는 더 쉬운 방법이 있습니다. 리드선, 납땜 단자 또는 빠른 연결 단자를 선택하여 바로 사용할 수 있는 밀폐형 패널 실장 하우징에서 램프와 저항기를 패널 표시기로 사용할 수 있습니다. 이러한 장치 중 하나로 Bulgin Limited NL589C2A 네온 패널 표시기를 들 수 있습니다(그림 6).

그림 6: 패널 실장 하우징에 직렬 저항기가 포함된 NL589C2A와 같은 네온 표시등을 구입하면 배선 및 안전 문제가 크게 최소화됩니다. (이미지 출처: Bulgin Limited)

편의성과 물리적 배열의 단순성을 더욱 향상시키는 여러 로커 스위치가 통합 네온 표시기와 함께 제공됩니다. Bulgin H8553VBBR2-B는 이러한 접근 방식을 나타냅니다(그림 7). 이 장치는 공간을 절약하고 시스템 배선을 용이하게 하는 스냅인 패널 실장 설계를 가진 15암페어(A) 쌍극 단투(DPST), 120/240VAC 장치입니다.

그림 7: 네온 램프와 저항기를 스위치의 로커에 통합함으로써 설계자는 공간을 절약하고 배선을 단순화하며 BOM을 줄입니다. (이미지 출처: Bulgin Limited)

로커 스위치와 내부 램프의 이러한 조합은 스위치의 동작과 관련 조명이 시각적 및 물리적으로 연결되어 있기 때문에 설계 및 작동에 직관적인 '휴먼 인터페이스' 측면을 제공합니다.

네온 파워 온 표시기가 내장된 로커 스위치의 논리적 감성과 실장 및 배선 편의성은 Tripp Lite 6SPDX Power Strip(6피트(ft) 전원 코드가 있는 6개의 콘센트 장치)과 같은 장치로 대표되는 AC 전원 스트립에 널리 사용되는 이유 중 하나입니다(그림 8).

그림 8: 통합 네온 표시등이 있는 로커 스위치의 기술, 생산 및 사용자 중심적 이점으로 인해 소비자 지향 장치(표시되어 있음)부터 중장비 상업용 장치 및 산업용 장치에 이르기까지 AC 전원 스트립에 적합합니다. (이미지 출처: Tripp Lite)

결론

오래된 기술이 여전히 합법적이거나 심지어 최신 설계 문제에 대한 최적의 해결책일 수 있는 경우가 많습니다. LED 표시등의 경우 저전압 해결책을 위해 네온을 거의 사용하지 않지만, 네온 램프는 여전히 AC 회선 표시를 위한 매우 간단하고 실행 가능한 옵션입니다. 이 램프는 기본적인 전구, 패널 실장, 로커 스위치를 비롯한 여러 패키지 옵션으로 제공되어, 여러 설계 상황에 대한 유용성 및 다목적성을 한층 강화합니다.

외부 참고 자료

• Wikipedia, “Neon lamp”(기본 참고 자료)
• Wikiwand, “Neon lamp”(포괄적 참고 자료를 포함한 기술 문서)
• International Light Technologies, Inc., “Neon Lamps: Application & Technical Notes”(기술 및 응용 참고 사항)
• Data Sheet Archive, “Chicago Miniature NE-2 Datasheet”(자세한 규격서)
• Science History Institute “A Blaze of Crimson Light: The Story of Neon”(역사)
• Neon Library, “Neon History”(역사)