Non escludete la lampada al neon come indicatore di alimentazione c.a. attiva

Per il vostro ultimo progetto alimentato da linea in c.a. avete un requisito di progettazione apparentemente banale: predisporre un apposito indicatore luminoso, una spia, per mostrare che l'unità è collegata alla linea e che l'alimentazione è "attiva", segnalando di conseguenza che la linea è buona e che l'unità è accesa. Questo indicatore serve sia per comodità dell'utente che come rapido indizio di risoluzione dei problemi nel caso in cui l'unità potesse sembrare spenta quando dovrebbe invece essere accesa.

La vostra prima idea è di mantenere le cose semplici e assorbire solo un po' di energia da qualsiasi rail c.c. disponibile nel prodotto per fornire circa 20 mA utili a pilotare un LED rosso. In mancanza di un rail idoneo, per pilotare quel LED è possibile aggiungere un piccolo circuito (Figura 1).

Figura 1: Pilotare un indicatore LED dalla linea in c.a. non è difficile, ma richiede diversi componenti attivi e passivi. (Immagine per gentile concessione di International Light Technologies, Inc.)

Tuttavia, entrambe queste soluzioni hanno un problema. In primo luogo, c'è la questione della credibilità e dell'affidabilità, con implicazioni sulla sicurezza. Se il circuito che pilota quel rail c.c. ha un guasto e il LED non si illumina, potrebbe derivarne un problema di sicurezza: l'utente potrebbe pensare che la linea in c.a. sia interrotta e che il circuito non sia attivo, quando in realtà lo è.

Ma anche se tale aspetto non avesse una grande importanza, ricordiamo che il circuito dell'indicatore separato è relativamente costoso e complicato, considerato quello che fa, anche se la distinta base è breve. Se non è disponibile un rail c.c. e si ha bisogno di un trasformatore step-down o di un trasformatore per l'isolamento come richiesto dalle norme. A questo punto, le cose non sono più così semplici ed economiche.

Quindi, pensate che ci debba essere un modo meno costoso e completamente passivo per collegare direttamente un LED alla linea in c.a. e avete ragione. Tra le possibilità vi è quella di pilotarlo attraverso un condensatore che fungerebbe da reattanza capacitiva, soluzione utilizzata in alcuni progetti commerciali quando serve un rail c.c. a bassa corrente da una sorgente c.a. (Figura 2). Una soluzione di questo genere può essere utilizzata per pilotare un LED.

Figura 2: Un circuito di alimentazione basato sulla reattanza capacitiva di un condensatore può essere utilizzato per pilotare un LED direttamente dalla linea in c.a. Nonostante la sua apparente semplicità, in realtà è un circuito con delle insidie e presenta anche alcuni problemi normativi e di sicurezza. (Immagine per gentile concessione di Turbokeu.com)

Si tratta anche in questo caso di circuiti non esenti da preoccupazioni e problemi normativi e di sicurezza, in quanto dovrebbero essere fisicamente separati dalle altre parti del progetto. Per soddisfare normative di sicurezza come quelle UL, l'intero circuito e il suo minuscolo circuito stampato (se presente) devono essere disposti fisicamente in modo che, in caso di guasto dello chassis, l'utente sia protetto. Inoltre, questo approccio richiede componenti passivi più grandi, più costosi e ad alta tensione (specie i condensatori, che devono fornire un margine di sicurezza pari a circa il doppio del picco di tensione di linea).

La realtà è che, diversamente da quanto potrebbe sembrare "sulla carta", aggiungere un sottocircuito "c.a. sotto tensione" per l'utilizzo di LED non è un'operazione così semplice.

Tornare indietro al futuro con le lampade al neon

Fortunatamente esiste una soluzione collaudata e altamente affidabile: utilizzare una piccola lampada al neon e un resistore limitatore di corrente (Figura 3) che può essere collegato direttamente alla linea in c.a. (120 o 240 V c.a.). Anche se deve essere opportunamente isolato, questo circuito è così semplice e piccolo che può essere coperto con una guaina termorestringente o isolato in modo analogo.

Figura 3: Tutto ciò che serve per utilizzare una lampada al neon con una linea in c.a. come fonte di alimentazione è un resistore in serie limitatore di corrente, come indica lo schema (a sinistra). Anche l'implementazione fisica del diagramma schematico è una semplice interconnessione (a destra). (Immagine per gentile concessione di Bristol Watch Co.)

Le lampade al neon esistono dai primi anni del '900 e sono disponibili in diverse dimensioni e stili. La dimensione di gran lunga più comune per uso generale per gli indicatori (spie) è nota come lampada NE-2. Un buon esempio è 4PAK:WX-EGA2-0 di Interlight. Misura 12 mm di lunghezza e 5 mm di diametro (Figura 4).

Figura 4: La comune lampada al neon NE-2 misura circa 12 mm di lunghezza e ha un diametro di 5 mm. (Immagine per gentile concessione di Interlight)

Il valore del limitatore di corrente dipende dalle dimensioni della lampada al neon, dalla luminosità desiderata e dai suoi valori di corrente minima/massima. Per una NE-2, questo valore va in genere da 50 a 220 kΩ per una rete elettrica di 120 V c.a. e raddoppia in caso di 220 V c.a. La potenza nominale del resistore è dell'ordine di 0,25 W o meno. Non c'è niente di più semplice o di più affidabile.

La lampada al neon ha una lunga durata compresa tra 20.000 e 50.000 ore, paragonabile a un LED. Le lampade al neon sono anche molto robuste e non sono soggette a vibrazioni, shock meccanico o frequenti operazioni di accensione/spegnimento. In genere funzionano in un ampio intervallo di temperature, da -40 a +150 °C, e non sono soggette a danni causati da transitori di tensione quali scariche statiche ad alta tensione o transitori di linea. Per certi versi, le lampade al neon sono simili ai tubi a scarica di gas (GDT) miniaturizzati utilizzati per la protezione del circuito.

Tenere presente che le lampade al neon sono dispositivi c.c. non polarizzati con due elettrodi simmetrici. Quando viene applicata la corrente continua, si illumina un elettrodo; se la corrente continua viene invertita, si illumina l'altro elettrodo (Figura 5). Quando sono collegati a una fonte in c.a., gli elettrodi si illuminano alternatamente. L'occhio integra questo fenomeno e non vede lo sfarfallio.

Figura 5: La lampada al neon è un dispositivo a scarica c.c. indipendente dalla polarità con un catodo che si illumina, come si può vedere da questa immagine "tripla" (da sinistra a destra) di una polarità positiva sul filo sinistro (catodo a destra), sul filo destro (catodo a sinistra) e pilotato da una forma d'onda c.a. (catodo alternato). (Immagine per gentile concessione di Wikiwand)

Questa compatibilità intrinseca con le sorgenti c.c. rende l'indicatore al neon una scelta possibile per i progetti con rail c.c. a tensione più elevata che vengono sempre più utilizzati con pannelli solari, sistemi di immagazzinaggio dell'energia in batteria (BESS) e distribuzione c.c.

Nessuna necessità di fai-da-te

Esiste un modo più semplice per progettare una lampada al neon come indicatore di alimentazione c.a. che non richiede il cablaggio della lampada e del resistore e quindi l'isolamento del gruppo. È possibile ottenere la lampada e il resistore come indicatore per il montaggio a pannello sigillato pronto all'uso, con una scelta di conduttori, terminali a saldare o a connessione rapida. Uno di questo dispositivi è l'indicatore a pannello al neon NL589C2A di Bulgin Limited (Figura 6).

Figura 6: Acquistando un indicatore al neon come NL589C2A con un resistore in serie in un alloggiamento per montaggio a pannello, i problemi di cablaggio e sicurezza si riducono notevolmente. (Immagine per gentile concessione di Bulgin Limited)

Per comodità e semplificando ulteriormente la disposizione fisica, molti interruttori a bilanciere vengono offerti con una spia al neon integrata. H8553VBBR2-B di Bulgin è rappresentativo di questo approccio (Figura 7). È un'unità da 120/240 V c.a., bipolare, 15 A, bipolare a una via (DPST), con una struttura adatta al montaggio a pannello a scatto che consente di risparmiare spazio e facilita il cablaggio del sistema.

Figura 7: Incorporando la lampada al neon e il relativo resistore nel bilanciere dell'interruttore, i progettisti risparmiano spazio, semplificano il cablaggio e riducono la distinta base. (Immagine per gentile concessione di Bulgin Limited)

Questa combinazione di un interruttore a bilanciere con una lampada interna apporta anche un aspetto intuitivo di "interfaccia umana" al progetto e al suo funzionamento, poiché l'azione dell'interruttore e l'illuminazione associata sono collegate visivamente e fisicamente.

La comodità di montaggio e cablaggio, oltre alla sensibilità logica degli interruttori a bilanciere con indicatori di accensione al neon incorporati, è uno dei motivi per cui sono ampiamente utilizzati nelle prese multiple c.a, ad esempio 6SPDX di Tripp Lite, un'unità a 6 prese con un cavo di alimentazione da 183 cm (Figura 8).

Figura 8: I vantaggi tecnici, di produzione e incentrati sull'utente offerti dall'interruttore a bilanciere con indicatore luminoso al neon integrato ne fanno una scelta valida per le prese multiple c.a., che vanno dalle unità orientate al consumatore (in figura) a quelle commerciali e industriali per uso intensivo. (Immagine per gentile concessione di Tripp Lite)

Conclusione

Sono ancora molti i casi in cui una vecchia tecnologia può essere una soluzione legittima o addirittura la soluzione migliore alle moderne sfide di progettazione. Mentre gli indicatori LED hanno in gran parte reso obsoleto il neon per le soluzioni a bassa tensione, le lampade al neon sono ancora un'opzione molto semplice e valida per l'indicazione della linea c.a. Le lampade sono disponibili con diverse opzioni di contenitore, tra cui lampadina nuda, montaggio a pannello e interruttore a bilanciere, che migliorano ulteriormente la loro utilità e versatilità per molte situazioni di progettazione.

Riferimenti esterni

• Wikipedia, "Lampada al neon" (riferimento di base)
• Wikiwand, "Lampada al neon" (tecnica con riferimenti estesi)
• International Light Technologies, Inc., "Lampade al neon: applicazione e note tecniche" (note tecniche e applicazioni)
• Archivio schede tecniche, "Chicago Miniature NE-2 - scheda tecnica" (scheda tecnica dettagliata)
• Science History Institute "A Blaze of Crimson Light: The Story of Neon" (storia)
• Neon Library, "Neon History" (storia)