假如您在最新的交流电供电项目中有一个看似简单的设计要求：提供一个清晰发光的指示灯，以显示设备已插入线路且电源“接通”，表示线路正常，设备已打开。这既是为了方便用户，也是为了在设备打开时如果出现“死机”提供快速故障排除的线索。
最简单的方法，只需从产品中任何可用的直流电轨中汲取少量电力，即可提供约20mA电流来驱动红色LED。如果没有合适的电轨，您可以添加一个小电路来驱动该LED(图1)。
图1：通过交流线路驱动LED指示灯并不难，但需要许多有源和无源元件。来源：International Light Technologies Inc.
但是，这两种解决方案都存在问题。首先，存在关于安全隐患的可靠性和信任问题。如果由于某种原因，驱动直流电轨的电路出现故障，LED不亮，那么可能会出现一种情况，用户认为交流电线路被切断，电路不带电，但实际上它带电。
即使这不是一个问题，单独的指示器电路也相对昂贵且复杂，即使物料清单(BOM)很小。如果没有可用的直流电轨，并且您需要降压变压器，或者您需要该变压器进行监管安全隔离，那么事情就不再简单和便宜了。
因此，一定存在一些成本更低、完全无源的方式将LED直接连接到交流线路。一种“作弊”方法是使用降压电阻器将电压和交流线路电流限制在LED要求的范围内(约20mA)。但这种方法性能不稳定，存在电阻器功率耗散高等技术风险，并且会导致LED以50/60Hz的频率闪烁。
另一种方法是“capacitor-dropper”(cap-drop)电源，当需要从交流电源获得低电流直流轨时，一些商业设计会使用此电源(图2)。
图2：“capacitor-dropper”电路也可用于直接从交流线路驱动LED，尽管它看似简单，但实际上它是一个很微妙的电路，也存在一些监管/安全问题(上限：230VAC，下限：110VAC)。来源：Turbokeu.com
同样，这些电路会带来监管和安全问题，并且必须与设计的其他部分物理隔离。为了满足UL等安全规范，整个电路及其微型电路板(如果有)必须进行物理布置，以便在底盘出现故障时保护用户。此外，这种方法需要更大、更昂贵、电压更高的无源元件，尤其是电容器，它们必须提供大约两倍于线电压峰值的安全裕度。
现实情况是，使用LED添加“交流带电”子电路在实践中并不像理论上那么容易。您拥有所需的原始功率，但要将其转化为您实际所需的功率，无论从技术上还是从监管角度来看都比较困难。
幸运的是，有一个久经考验且高度可靠的解决方案：使用小型霓虹灯泡和限流电阻，可直接连接到交流线路(115或230VAC)，如图3所示。虽然此电路也必须适当绝缘保护，但它非常简单且小巧，可以用一根热缩管或类似的绝缘装置覆盖。
图3：使用交流线作为霓虹灯电源只需要一个限流串联电阻，如原理图所示(上图)；原理图的物理实现也是一个简单的互连(下图)。资料来源：Bristol Watch Co.
霓虹灯自20世纪初就已出现，并且有各种尺寸和样式。目前，指示器中最常见的尺寸是NE-2灯泡，长度为12毫米，直径为5毫米(图4)。
图4：广泛使用的NE-2霓虹灯长度约为12毫米，直径约为5毫米。来源：Interlight
限流电阻的值取决于霓虹灯尺寸、所需亮度及其最小/最大电流额定值。对于120VAC电源，该值通常为50至220kΩ；对于220VAC电源(使用NE-2霓虹灯)，该值是前面的电阻值的两倍。电阻的额定功率也很低，约为¼瓦或更低。没有比这更简单或更可靠的了。
霓虹灯的典型寿命为20,000至50,000小时，与LED相当。霓虹灯也非常坚固耐用，不受振动、机械冲击或频繁开/关操作的影响。它们通常在-40°C至+150°C的宽温度范围内工作，不易受到由高压静电放电或线路瞬变引起的电压瞬变的损坏。在某些方面，霓虹灯类似于用于电路保护的微型气体放电管(GDT)。
请注意，霓虹灯是无极化直流器件，具有两个对称电极。当施加直流电时，一个电极发光；如果直流电反向，另一个电极发光(图5)。当连接到交流电源时，电极交替发光，眼睛会整合这一过程，不会看到闪烁。
图5：霓虹灯是一种与极性无关的直流驱动放电器件，其阴极会发光，从这张图片(从左到右)可以看出，左侧导线为正极(右侧阴极)，右侧导线为正极(左侧阴极)，由交流波形驱动(阴极交流)。来源：Wikiwand
与直流电源的固有兼容性使霓虹灯指示器成为高压直流轨设计的可行选择，这种设计越来越多地用于太阳能电池板、电池储能系统(BESS)和直流配电。
启动放电和随后发光所需的电压和电流取决于各种因素，例如环境温度、特定气体混合物，甚至环境照明。当施加启动电压(“启动”或“击穿”)时，通常为55-110伏交流电或90-140伏直流电，气体电离并开始发光，从而允许非常小的电流从一个电极流向另一个电极。
一旦灯泡因气体电离而开始放电，维持(持续)工作电压将降至比初始触发电压低约10到20伏。这被称为“负阻”特性，并由此产生了一些有趣的非指示器应用。
灯会一直亮着，直到电压降至50V以下。小型霓虹灯在关闭时漏电流非常低，约为几百微安。对于小型灯泡而言，灯开始发光后的工作电流也很低，约为几毫安。
一百多年来，物理学家们对氖气放电行为进行了详细的研究，并确定了每种相变及其相关原因(图6)。
图6：这三个放电区的详细视图显示了一些微妙的影响和过渡点。来源：Wikiwand
击穿电压受灯内特定气体混合物和压力的影响。通常，气体为潘宁混合气体(以Frans Miehel Penning命名)，其中99%至99.5%的氖气和0.5%至1.0%的氩气，压力为1–20托(0.13–2.67kPa)；这种混合气体的击穿电压低于纯氖气。
有一种更简单的方法可以将霓虹灯设计为交流电源开启指示灯，不需要先将灯管和电阻器连接起来，然后再绝缘组件。您可以将灯和电阻器作为面板指示器，放置在即用型密封面板安装外壳中，并可选择导线、焊接端子或滑入式快速连接端子。
为了方便使用并进一步简化物理布置，许多翘板开关都配有内置霓虹灯指示灯。翘板开关与内置灯的这种组合还为设计和操作带来了直观的“人机界面”，因为开关的动作和相关照明在视觉和物理上是相互关联的。
在许多情况下，旧技术仍然有效，甚至是解决现代设计挑战的最佳解决方案。虽然LED指示灯已在很大程度上取代了低压解决方案中的霓虹灯指示灯，但霓虹灯仍然是交流线路指示灯的可行选择。
霓虹灯有多种封装选择，包括裸灯泡、面板安装和翘板开关，进一步增强了它们在许多设计情况下的实用性和多功能性。
(原文刊登于EDN姊妹网站Planet Analog，参考链接：Classic neon lamp can resolve your AC power indicator mandate，由Ricardo Xie编译。)
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