Forståelse og anvendelse af de nye standardstik til indendørs og udendørs LED-baseret belysning

Lysdioder (LED'er) har revolutioneret indendørs og udendørs belysning. Effektiviteten, kontrollerbarheden, farvespektret, den termiske ydeevne og de unikke formfaktorer for denne solid-state belysningsteknologi (SSL) har hjulpet den ærværdige Edison glødepære (såvel som lysstofrør, metalhalogenid eller natriumdamplamper). Nu, for de fleste nye indendørs og udendørs design såvel som eksisterende opgraderinger, tages lysdioderne først i betragtning. Alligevel skal designere være forsigtige. Sammen med hurtig innovation kommer faldgruber som ikke-standardforbindelser og uoverensstemmende slutbrugerløsninger, der alle bidrager til en negativ kundeoplevelse.

Det er ikke kun lyskilden, der ændrer sig radikalt. For eksempel ændrer LED-baseret belysning også designen og formfaktoren for stikkene som er en nødvendig del af ethvert belysningssystem såvel som deres armaturer (kaldet armaturer). Disse stik benytter ikke AC-spænding men i stedet benytter de lavere DC-spænding med strømme, typisk i området 3 ampere (A) til 7 A. Yderligere er et LED-baseret belysningssystem ofte en del af et kontrolnetværk, der understøtter Digital Addressable Lighting Interface (DALI) og Zhaga industristandarder, hvilket giver smart, energibesparende, højtydende belysning som en del af et intelligent hjem eller kontor.

Før det fortsætter med et LED-baseret systemdesign til belysning, påhviler det ingeniører at blive fortrolige med standarderne, og hvordan de reflekteres i stik i den virkelige verden, da nye designs hurtigt opstår.

Denne artikel gennemgår kort, hvorfor LED'er er blevet så gennemgribende, og introducerer og beskriver derefter de to forbindelsesstandarder, der sikrer interoperabilitet, hurtig udvikling og nem implementering af smarte LED-baserede design. Stik fra Amphenol ICC introduceres, og deres anvendelse er beskrevet som realistiske udførelsesformer for de relevante standarder og deres anvendelse.

Hvorfor lysdioder er så udbredte

Væksten af lysdioder som lyskilde skyldes mange faktorer:

• Lavere omkostninger fører til højere volumen, hvilket igen fører til endnu lavere omkostninger og stadig højere volumen
• Forbedringer i den grundlæggende pålidelighed og levetid for lysdioder som lyskilder
• Forbedringer i kredsløbet, primært strømforsyningerne, der driver disse lysdioder
• Forbedret nem kontrol af lysdioder via smarte kontroller og endda netværksbaseret I/O
• Forbedringer i kvaliteten af optisk output som karakteriseret ved farvetemperatur (Kelvin) og farvegengivelsesindeks (CRI)
• Offentlige incitamenter, standarder og mandater til højere effektivit belysning for at spare energi (skøn er, at mellem 15 % og 20 % af det samlede energiforbrug er til belysning)
• Udvikling af industri- og myndighedsstandarder, der sikrer både interoperabilitet blandt LED-baserede lyskilder såvel som kompatibilitet med smarte controllere

Det sidste punkt er især vigtigt. En af de vigtige egenskaber ved den traditionelle glødepære, der i mindre grad fortrænges af lysdioder og lysstofrør, er den næsten universelle brug af "E26" 26 mm indskruet Edison-base i boligindstillinger i USA og mange andre lande (figur 1). Der er andre størrelser som E12-candelabra, men E26 er langt den mest anvendte.

Figur 1: 26 mm E26 Edison-basen er langt den mest anvendte base, selvom der er nogle mindre og større, der opfylder forskellige applikationskrav. (Billedkilde: LOHAS LED Ltd.)

Standardisering med en enkelt base og sokkel sænker selvfølgelig omkostningerne. Det tilskynder også tilgængeligheden af mange pæreformer, strømniveauer og andre attributter, der er bygget omkring denne fatning, samtidig med at bekymringerne om langvarig udskiftning af udbrændte pærer reduceres. Tidlige generationer af LED-pærer brugte E26-base til kompatibilitet med eksisterende stikkontakter for at vænne brugerne til LED-belysning. Disse E26 LED-pærer sælges stadig bredt, da der i øjeblikket er utallige millioner af sådanne stikkontakter i brug, og det vil være situationen i meget lang tid.

LED'er er dog meget forskellige med hensyn til deres strøm, spænding (DC) og strømforbrug sammenlignet med glødepærer, som typisk er netdrevet ved hjælp af 120/240 volt AC. E26-basestik har også relativt store skrueterminaler til sine ledninger, som ikke er ideelle til at drive LED-baserede kilder (figur 2). For at give lysdioder mulighed for fuldt ud at udnytte deres potentiale fra systemniveau ned til den fysiske forbindelse er der behov for nye standarder og typer stik.

Figur 2: De store skrueterminaler, der kræves til tilslutning af en E26-basestik, forstyrrer den bedste anvendelse af den LED-baserede lyskilde. (Billedkilde: Family Handyman via Pinterest)

I erkendelse af behovet for en moderne standard for belysningsgrænseflade udviklede Digital Illumination Interface Alliance (DiiA) DALI-standarden.

DALI-standarden omdefinerer lysforbindelser

DALI er en dedikeret protokol til digital belysningskontrol der muliggør nem installation af robuste, skalerbare og fleksible belysningsnetværk (figur 3). Den første version, DALI-1, var bedre egnet til digital kontrol, konfiguration og forespørgsel af fluorescerende forkoblinger med lidt hensyn til lysdioder. Det erstattede den enkle, envejs, broadcast-betjening af eksisterende 0/1 til 10 volt analoge kontroltilgange.

Figur 3: Den første version af DALI-standarden definerede en kontrolbase, der forbandt alle elementer, der får strøm fra de parallelle hovedstrømledninger. (Billedkilde: Omnialed)

Standarden inkluderer også en udsendelsesmulighed, og med en simpel omkonfiguration kan hver DALI-enhed tildeles en separat adresse, der tillader digital kontrol af de individuelle enheder. Derudover kan DALI-enheder også programmeres til operere i grupper så belysningssystemerne kan være omkonfigureret ved hjælp af software og derved undgå behovet for at ændre ledningerne.

Væksten i brugernes forventninger sammen med forbedringer i LED-teknologi har tilskyndet udviklingen af, hvad der nu er DALI-2-standarden. DALI-2 er mere end en industristandard - det er nu også en International Electrotechnical Commission-standard (IEC 62386). DALI-2 tilføjer mange nye kommandoer og funktioner. Mens DALI-1 kun omfattede kontroltilstande, dækker DALI-2 kontrolenheder såsom applikationscontrollere og inputenheder (f.eks. sensorer) samt busforsyninger. Det er fokuseret på interoperabilitet mellem produkter fra forskellige leverandører og understøttes af DALI-2-certificeringsprogrammet for at bekræfte produktkompatibilitet med specifikationerne (figur 4).

Figur 4: DALI-2-standarden tager større hensyn til LED'ernes behov end DALI-1 og tilføjer også nye kommandoer og opdateringer. (Billedkilde: DALI Alliance)

Som med alle omfattende standarder er DALI-2 kompliceret. Kort sagt fungerer et enkelt par ledninger som bussen, og hver enhed på et DALI-netværk kan adresseres individuelt. Bussen bruges til både signaler og strøm og understøttes af en strømforsyning, der giver op til 250 milliamper (mA) ved 16 volt DC (typisk). Standarden understøtter enheder, der drives af vekselstrømsledningen eller en jævnstrømsskinne.

Mens der er forskellige standarder, der definerer ekstra lav spænding (ELV), definerer IEC en ELV-enhed eller et kredsløb som en, hvor det elektriske potentiale mellem elektrisk leder og jord (jord) ikke overstiger 50 volt AC eller 120 volt DC. DALI-styrekablet er klassificeret som ELV-potentiale og kræver derfor kun grundlæggende isolering fra lysnettet; den kan køres ved siden af disse lysnettet eller inden for et multikerne-kabel, der inkluderer strøm.

Beyond DALI-2: Zhaga-specifikationen retter sig mod armaturer

Standarder som DALI-2 er vigtige, men kan kun gå så langt. Det er ikke inden for deres rammer at definere, hvordan standarden skal knyttes til specifikke applikationer, såsom LED-belysning og armaturer. For at løse dette problem har det internationale Zhaga Consortium etableret branchespecifikationer for grænseflader til komponenter, der bruges i LED-armaturer. Konsortiet er et medlemsprogram for IEEE Industry Standards and Technology Organization og har mere end 120 medlemmer fra og med 2019.

Nu er det et godt tidspunkt at tydeliggøre forskellen mellem et lysarmatur og et armatur. Udtrykket “armatur” bruges af Illesinating Engineering Society (IES) Lighting Handbook, ANSI/NEMA standarder og IEC. Det blev tilføjet til National Electrical Code (NEC) håndbog i 2002 med en formel definition som “en komplet belysningsenhed bestående af en lampe eller lamper sammen med de dele designet til at distribuere lyset, til at placere og beskytte lamperne og til tilslut lamperne til strømforsyningen”. Et armatur inkluderer lampen og alle komponenter, der er direkte forbundet med fordelingen, placeringen og beskyttelsen af lysenheden, og inkluderer specifikt ikke støttekomponenter, såsom en arm, sene eller pol; de fastgørelseselementer, der bruges til at fastgøre armaturet kontrol- eller sikkerhedsudstyr; eller strømforsyningsledere. Armaturer har mange former og er tilgængelige i en lang række situationer lige fra strengt funktionel udendørs gadebelysning til indendørs kontorbelysning og endda til "trendy" detail- eller hjemmebelysning.

"Fixture" er ikke defineret af NEC og henviser generelt til hvad brugeren har i tankerne og kan omfatte nogle eller alle af følgende elementer: Lampen (pære), måske med lampeskærmen, kloden, linsen eller diffusoren, understøtningen, stangen eller armaturbeslaget og andre elementer.

Zhaga-specifikationerne, der formelt kaldes bøger, adresserer elektriske, mekaniske, optiske, termiske og kommunikationsgrænseflader og tillader interoperabilitet af komponenter. Ved at overholde Zhaga-specifikationerne kan designere sikre, at brugerne har komponenter, der er interoperable og kan udskiftes eller serviceres, og at en LED-armatur kan opgraderes efter installation, når ny teknologi bliver tilgængelig.

Zhaga bog 18 og bog 20 er af særlig interesse for designere, der arbejder med LED-baserede armaturer; førstnævnte er fokuseret på udendørs design, mens sidstnævnte er til indendørs applikationer:

• Zhaga bog 18: “Smart interface mellem udendørs armaturer og sensing/kommunikationsmoduler” specificerer strøm- og kommunikationsaspekter ud over den mekaniske pasform og de elektriske ben til et tilslutningssystem som defineret i Edition 1.0. Det forenkler tilføjelsen af applikationsmoduler som sensorer og kommunikationsknudepunkter til LED-armaturer og sikrer plug-and-play-interoperabilitet.
• Zhaga bog 20: “Smart interface mellem indendørsarmaturer og sensing/kommunikationsmoduler” definerer en smart-interface mellem en indendørs LED-armatur og en sensing/kommunikationsknude. Noden forbinder til LED-driveren og kontrolsystemet og kan typisk levere sensoriske input eller muliggøre kommunikation mellem netværkskomponenter. Noder kan installeres og udskiftes i marken.

Stik fuldender kredsløbet

Standarder er selvfølgelig kritiske, og kompatibilitet og interoperabilitet begynder med den fysiske grænseflade og dens stik (figur 5). Anvendelsen af DALI-specifikationen og Zhaga-standarderne understøttes af et bredt udvalg af stik, der opfylder (og overgår) deres krav, samtidig med at brugerfleksibilitet til drift under forskellige scenarier.

Figur 5: DALI-specifikationen og Zhaga-standarden giver en komplet kabel- og stikforbindelse til strøm og data fra strømkilde til lysende LED i en række konfigurationer. (Billedkilde: Amphenol ICC)

Til indendørs brug definerer Zhaga bog 20 en adskillelig parringsgrænseflade til sensorer i intelligente bygningsnetværk. Amphenol ICC FLM-serien overholder DALI-standarden og muliggør "plug and play" -drift til indendørs LED-armaturer og sensorer eller kommunikationsmoduler. Faktisk valgte Zhaga Consortium Amphenol FLM-serien som Zhaga bog 20-standard.

To supplerende medlemmer af Amphenol ICC FLM - serien illustrerer bog 20 - standarden i praksis: FLM-P21-00 SSL-to-kontakt stikkontakthus til pin-kontakt kabel/ledning til kabel/ledningstilslutninger og FLM-S21-00 to-kontakt SSL-stikhus til stikkontakt-kabel/ledning til kabel/ledning. Andre SMT-modeller (overflademontering) har vinkel- og lodrette konfigurationer for design-in-fleksibilitet (figur 6).

Figur 6: FLM-P21-00 beholderhuset og parring FLM-S21-00 stikhuset er grundlæggende totråds SSL-stik. (Billedkilde: Amphenol ICC)

Blandt funktionerne i denne serie er:

• Adskillelige grænseflader med en "poka yoke" geometri (hvilket betyder "idiotsikker" eller "fejlsikker"), hvilket sikrer korrekt parringstilpasning
• Et ledigt stik med værktøjsfri indstiksafslutning
• En integreret lavprofil dimple-latch-funktion, der giver fem newton minimum tilbageholdelseskraft for sikker parring, men alligevel let at parre
• Et stik, der er tilgængeligt på spolen med krympeforbindelseskontakter eller indstikkede trådafslutningsmuligheder for at muliggøre samling af store volumener eller nem montering/service på marken

Selvfølgelig er mange tilsigtede LED-applikationer ikke så godartede som almindelige indendørs indstillinger. Kravene i sådanne applikationer kan opfyldes med FLH-serien af ledning til kabel IP67-klassificerede (forseglede og vandtætte) stik inklusive FLH-P31-00 – en tre-positions rektangulær beholder med en benafstand på 2,50 mm – og den tilsvarende FLH-S31-00 rektangulært husstik (figur 7); versioner med op til seks kontakter tilbydes også.

Figur 7: Til lysdioder og andre stikapplikationer, der kræver en IP67-klassificering, er FLH-serien med det tre-leder FLH-P31-00 rektangulære husstik (øverst til venstre) og parring FLH-S31-00 rektangulært husstik (øverst til højre) tilgængelig, ligesom 2-, 3-, 4- og 6-polede versioner. (Billedkilde: Amphenol ICC)

Den forseglede og vandtætte ydelse af stik i denne serie gør dem særligt velegnede til barske miljøer, og de kan bruges til belysning såvel som HVAC, industrielle og smarte hjem situationer, mens deres kompakte design også er en fordel for plads-besparende applikationer. Kontakterne i disse stik er klassificeret til en række trådtykkelse og tilsvarende strømme: 18 American Wire Gauge (AWG) til 8 A; 20 AWG til 5 A; ned til 22 AWG til 3 A.

Der er mere ved en installation end strømstik alene. For at gennemføre designprojektet tilbyder Amphenol andre nøglekomponenter, herunder FLA-2141-30, en ANSI C136-41-kompatibel beholder, der bruges til at forbinde en udendørs armatur i vej-, gade- og parkeringsapplikationer til en fotocelle for dæmpningsfunktioner (Figur 8). Ud over denne version med to kontaktpersoner er der versioner uden kontakter og fire kontakter.

Figur 8: Den ANSI-kompatible FLA-2141-30 dæmper tilvejebringer en forbindelse mellem en brugerforsynet lysdæmper og armaturet. Det er beregnet til smart-belysning, der styres af tilgængeligt omgivende lys (vist er firekontaktvariationen). (Billedkilde: Amphenol ICC)

For mere avanceret sensorintegration kan en FLB-P-base tilføjes i stedet for fotocellen. Dette muliggør tilføjelse af et pc-kort med sensorer til en række andre funktioner såsom bevægelsesdetektering, luftkvalitet og lyddetektion. Den komplette samling kan derefter beskyttes ved at tilføje et FLB-C kuppeldæksel. Bemærk: Disse er ikke beregnet til brug indendørs. Amphenol tilbyder også FLB-C70-501-001 kuppel, et NEMA ANSI C136.41 gennemskinneligt dæksel, der måler 76 mm i diameter og 130 mm højt, og som er designet til brug med FLB-P-baser.

FLA-serien af dæmperen kan bruges med ANSI C136.10 klagefotocelle eller hætte (åbent kredsløb eller kortslutning). For yderligere sensorintegrationsdesignere har brug for:

• FLA-koblingsstik
• FLB-P base
• Et pc-kort med sensorer
• FLB-C beskyttelseskuppel

Endelig blev FLS-SB80-02 Armaturforlængelsesmodul (80 mm) tillader løftning af dæmpningsenheden over FLA-seriens beholder for at forbinde dæmpnings- og sensormoduler.

Konklusion

LED-baseret belysning har dramatisk transformeret både indendørs og udendørs belysning i industrielle, kommercielle og boligmiljøer. Det tilbyder en næsten perfekt kombination af energieffektivitet, lang levetid og fleksibilitet i armaturkonfigurationer. For at forenkle og fremskynde LED-design, opfylder de forskellige familieforbindelser fra Amphenol ICC indendørs, udendørs og IP67-krav, samtidig med at de opfylder Zhaga-industristandarder, hvilket forbedrer systemkompatibilitet og interoperabilitet.

Yderligere læsning:

1. Amphenol LED-belysningsprodukter: Kommerciel/industriel belysning, indendørs og udendørs
2. Zhaga bog 20-kompatibel FLM-serie | Eksempel på datablad