Förstå och använda de nya standardkontaktdonen för LED-belysning inomhus och utomhus

Lysdioder (LED) har revolutionerat belysning inomhus och utomhus. Effektiviteten, styrbarheten, färgspektrat, den termiska prestandan och de unika dimensionerna för denna belysningsteknik som bygger på fasta tillståndets fysik (SSL) har sprungit förbi såväl den vördade Edison-glödlampan som lysrör, halogen- och natriumlampor. Nu är LED förstahandsvalet för de flesta nya inomhus- och utomhuskonstruktioner och för uppgraderingar av befintliga installationer. Men konstruktörer måste vara noggranna. Med den snabba innovationstaken följer problem som icke-standardiserade anslutningar och felmatchade användarlösningar, vilket alla bidrar till en negativ kundupplevelse.

Det är inte bara ljuskällan som förändras radikalt. Exempelvis förändrar LED-belysning också konstruktionen och dimensionen på kontaktdonen - en nödvändig del av alla belysningssystem - samt dess infästningar - armaturerna. Dessa kontaktdon bär inte nätväxelspänning. Istället bär de en låg likspänning med strömmar på normalt 3 till 7 A. Vidare är ett LED-baserat belysningssystem ofta en del av ett styrnätverk som stöder industristandarderna Digital Addressable Lighting Interface (DALI) och Zhaga, vilket ger smart, energisnål belysning med hög prestanda som en del av ett intelligent hem eller kontor.

Därför måste ingenjörer bekanta sig med standarderna och hur dessa kan implementeras i fysiska kontaktdon när nya konstruktioner dyker upp hela tiden.

Denna artikel går kort igenom varför lysdioder har blivit så allestädes närvarande och sedan introduceras och beskrivs de två anslutningsstandarderna som säkerställer interoperabilitet, snabb utveckling och enkel användning av smarta LED-baserade konstruktioner. Kontaktdon från Amphenol ICC introduceras och deras användning beskrivs i form av verkliga utföranden av relevanta standarder och deras tillämpning.

Varför lysdioder finns överallt

Tillväxten av lysdioder som ljuskälla beror på många faktorer:

• Lägre kostnader driver högre volymer, vilket i sin tur driver ännu lägre kostnader och allt högre volymer
• Förbättringar av den grundläggande tillförlitligheten och livslängden hos lysdioder som ljuskällor
• Förbättringar i kretsarna, främst strömförsörjningarna som driver dessa lysdioder
• Förbättrad, enkel styrning av lysdioder via smarta styrningar och till och med nätverksanslutna I/O
• Förbättringar av kvaliteten på den optiska utsignalen som kännetecknas av färgtemperatur (Kelvin) och färgåtergivningsindex (CRI)
• Statliga incitament, standarder och mandat för belysning med högre verkningsgrad för att spara energi (uppskattningar ger att mellan 15 och 20 % av den totala energiförbrukningen går till belysning)
• Utveckling av industri- och myndighetsstandarder som säkerställer både interoperabilitet mellan LED-baserade ljuskällor och kompatibilitet med smarta styrenheter

Den sista punkten är särskilt viktig. En av de viktigaste egenskaperna hos den traditionella glödlampan, vilken håller på att ersättas av lysdioder och, i mindre grad, lysrör, är den nästan universella användningen av Edison-skruvsockeln på 26 mm (E26) för iskruvade lampor i bostäder i USA och många andra länder (Figur 1). Det finns andra storlekar, som den mindre E12, men E26 är den klar mest använda. I Sverige är E27 och E14 de vanligaste storlekarna.

Bild 1: E26 Edison-skruvsockeln är den klart mest använda glödlampssockeln, även om det finns några mindre och större som uppfyller olika funktionskrav. (Bildkälla: LOHAS LED Ltd.)

Standardisering med enhetliga sockla och uttag sänker naturligtvis kostnaderna. Det gynnar också tillgängligheten av många glödlampsformer, effektnivåer och andra attribut som byggs runt den sockeln samtidigt som det minskar eventuell oro för att hitta ersättningar till utbrända glödlampor. Tidiga generationer av LED-lampor använde E26-sockeln för kompatibilitet med befintliga uttag för att göra användare vana vid LED-belysning. Dessa E26 LED-lampor säljs fortfarande i stor utsträckning, eftersom det för närvarande finns miljontals sådana uttag, och det kommer att vara fallet under mycket lång tid.

LED-lampor är dock helt annorlunda med avseende på ström, spänning (DC) och strömförbrukning jämfört med glödlampor, vilka vanligen försörjs från elnätet med 120/240 volt AC. Dessutom har E26-uttaget ofta relativt stora skruvplintar för sina ledningar, vilket inte är idealiskt för att driva LED-baserade källor (Figur 2). För att lysdioder fullt ut ska kunna förverkliga sin potential från systemnivå till fysisk anslutning behövs nya standarder och typer av kontaktdon.

Figur 2: De stora skruvplintar som krävs för att ansluta ett E26-sockeluttag stör en optimal användning av den LED-baserade ljuskällan. (Bildkälla: Family Handyman via Pinterest)

Givet behovet av en modern gränssnittsstandard för belysning, har Digital Illumination Interface Alliance (DiiA) utvecklat DALI-standarden.

DALI-standarden omdefinierar belysningskonnektiviteten

DALI är ett dedikerat protokoll för digital belysningsstyrning som möjliggör enkel installation av robusta, skalbara och flexibla belysningsnät (Figur 3). Den första versionen, DALI-1, passade bättre för digital styrning, konfiguration och förfrågningar kring ballaster till lysrör. Lysdioder gavs inte stort utrymme. Det ersatte den enkla, enkelriktade, sändningsliknande funktionen för befintliga 0/1 till 10 volts analoga styrmetoder.

Figur 3: Den första versionen av DALI-standarden definierade en grund för styrning som kopplade ihop alla artiklar som drivs av de parallella huvudströmkablarna. (Bildkälla: Omnialed)

Standarden innehåller också en utsändningsfunktionalitet, och med en enkel omkonfigurering kan varje DALI-enhet tilldelas en separat adress som möjliggör digital styrning av enskilda anordningar. Dessutom kan DALI-enheter också programmeras till fungera i grupper så att belysningssystemen kan omkonfigureras med mjukvara och därigenom undviker man att behöva dra om ledningar.

Tillväxten av användarnas förväntningar samt förbättringar av LED-tekniken har främjat utvecklingen av det som nu blivit DALI-2-standarden. DALI-2 är mer än en industristandard - det är nu också en standard under International Electrotechnical Commission (IEC 62386). I DALI-2 finns många nya kommandon och funktioner. DALI-1 inkluderade endast olika styrlägen, men DALI-2 täcker styranordningar som produktstyrenheter och ingångsanordningar (t.ex. sensorer) samt bussbaserade strömförsörjningar. Den fokuserar på interoperabiliteten mellan produkter från olika leverantörer och stöds av DALI-2-certifieringsprogrammet för att bekräfta produktkompatibilitet med specifikationerna (Figur 4).

Figur 4: DALI-2-standarden tar större hänsyn till behoven hos lysdioder än DALI-1 och nya kommandon och uppdateringar har också tillkommit. (Bildkälla: DALI Alliance)

Som med alla omfattande standarder är DALI-2 komplicerad. Kort sagt fungerar ett enda trådpar som buss, och varje enhet i ett DALI-nätverk kan adresseras individuellt. Bussen används för både signaler och strömförsörjning och stöds av en strömförsörjning som ger upp till 250 mA vid 16 VDC (typiskt). Standarden stödjer enheter som drivs av AC-ledningen eller en DC-skena.

Även om det finns olika standarder som definierar extra låg spänning (ELV), definierar IEC en ELV-anordning eller -krets som enhet där den elektriska potentialen mellan elledare och jord inte överstiger 50 VAC eller 120 VDC. DALI-styrkabeln är klassificerad som ELV-potential och kräver därför endast enkel isolering från nätströmmen. Den kan dras parallellt med elnätskablar eller i en flerkärnig kabel som innehåller nätström.

Beyond DALI-2: Zhaga-specifikationen är riktad mot armaturer

Standarder som DALI-2 är viktiga men har trots allt sina begränsningar. Det ligger inte inom deras omfång att definiera hur standarden ska kopplas till specifika tillämpningar, som LED-belysning och -armaturer. För att hantera denna fråga har det internationella Zhaga Consortium fastslagit branschspecifikationer för gränssnitt för komponenter som används i LED-armaturer. Konsortiet är ett medlemsprogram för IEEE Industry Standards and Technology Organization och hade mer än 120 medlemmar år 2019.

Nu är det lämpligt att göra skillnad på armaturer och armaturer. Uttrycket armatur (eng. luminaire) används av Illuminating Engineering Society (IES) Lighting Handbook, ANSI/NEMA-standarder och IEC. Det lades till i handboken National Electrical Code (NEC) 2002, med den formella definitionen ”en komplett belysningsanordning bestående av en lampa eller lampor tillsammans med de artiklar som är utformade för att distribuera ljus, för att positionera och skydda lampor och för att ansluta lampor till strömförsörjningen. ” En armatur inkluderar lampan och alla komponenter som är direkt förknippade med distributionen, positioneringen och skyddet av ljusanordningen och inkluderar specifikt inte stödkomponenter, såsom en arm, upphängning eller stolpe; fästelementen som används för att fixera armaturen; styr- eller säkerhetsanordningar; eller strömförsörjningsledningar. Armaturer kan ta sig många former och är tillgängliga för ett brett spektrum av situationer, allt från strikt funktionell gatubelysning utomhus till kontorsbelysning inomhus och till "trendig" detaljhandel eller hembelysning.

Begreppet "fixture" definieras inte av NEC och avser i allmänhet allt som användaren tänker på och kan innehålla några eller alla av följande element: lampan (lyskroppen), eventuellt lampskyddet, klotet, glaset eller diffusorn, stödet, stolpen eller armaturbeslaget och andra element.

Zhaga-specifikationerna, som formellt kallas böcker, beskriver elektriska, mekaniska, optiska, termiska och kommunikationsmässiga gränssnitt och möjliggör interoperabilitet mellan komponenter. Genom att följa Zhaga-specifikationerna kan konstruktörer se till att användare har komponenter som är kompatibla och kan bytas ut eller servas, och att en LED-armatur kan uppgraderas efter installationen när ny teknik blir tillgänglig.

Zhaga-bok 18 och 20 är av särskilt intresse för designers som arbetar med LED-baserade armaturer. Den förstnämnda fokuserar på utomhusdesign och den andra täcker inomhustillämpningar:

• Zhaga-bok 18: “Smart gränssnitt mellan utomhusarmaturer och avkännings-/kommunikationsmoduler” specificerar effekt- och kommunikationsaspekter, förutom den mekaniska passformen och de elektriska stiften för ett anslutningssystem som definieras i Edition 1.0. Den gör det enklare att lägga till tillämpningsmoduler som sensorer och kommunikationsnoder till LED-armaturer och garanterar plug-and-play-interoperabilitet.
• Zhaga-bok 20: “Smart gränssnitt mellan inomhusarmaturer och avkännings-/kommunikationsmoduler” definierar ett smart gränssnitt mellan en inomhus-LED-armatur och en avkännings-/kommunikationsnod. Noden ansluts till LED-drivkretsen och styrsystemet och kan ofta tillhandahålla sensoringångar eller möjliggöra kommunikation mellan nätverkskomponenter. Noder kan installeras och bytas ut i fält.

Kontaktdon gör kretsen komplett

Standarder är naturligtvis kritiska och kompatibilitet och interoperabilitet börjar med det fysiska gränssnittet och dess kontaktdon (Figur 5). Användningen av DALI-specifikationen och Zhaga-standarderna stöds av ett brett urval av kontaktdon som uppfyller (eller överträffar) deras krav, samtidigt som de ger användaren driftflexibilitet i olika scenarier.

Figur 5: DALI-specifikationen och Zhaga-standarden ger en komplett kabel- och kontaktanslutningsväg för ström och data från strömkällan till lysdioderna i olika konfigurationer. (Bildkälla: Amphenol ICC)

För inomhusbruk definierar Zhaga-bok 20 ett separerbart hopkopplingsgränssnitt för sensornät i intelligenta byggnader. Amphenols ICC FLM-serie uppfyller DALI-standarden och möjliggör "plug and play"-funktion för inomhus-LED-armaturer och -sensorer eller kommunikationsmoduler. Faktum är att Zhaga Consortium valde Amphenol FLM-serien som standard i Zhaga-bok 20.

Två kompletterande medlemmar i Amphenol ICC FLM-serien illustrerar bok 20-standarden i praktiken: FLM-P21-00 2-kontakters SSL-kontaktdonshölje för stiftkontaktanslutningar för kabel/ledning till kabel/ledning, samt FLM-S21-00 2-kontakters SSL-stickdonshölje för uttagskontakt för kabel/ledning till kabel/ledning. Andra ytmonterade modeller (SMT) har rätvinkliga och vertikala konfigurationer för extra konstruktionsflexibilitet (Figur 6).

Figur 6: FLM-P21-00-uttagshöljet och passande FLM-S21-00-stickdonshölje är grundläggande 2-ledares SSL-kontaktdon. (Bildkälla: Amphenol ICC)

Bland funktionerna i denna serie är:

• Separabla gränssnitt med en "idiotsäker" geometri, vilket säkerställer korrekt hopkoppling
• Ett lättillgängligt kontaktdon med verktygslös terminering
• En integrerad snäpplåsfunktion med låg profil som ger minst 5 newtons kvarhållningskraft för säker hopkoppling men som ändå är lätt att koppla från
• Ett stickdon som finns på rulle med krimputtag eller för terminering med trådinstickning, för att möjliggöra högvolymmontering eller enkel montering/service i fält

Naturligtvis är många avsedda LED-tillämpningar inte lika godartade som vanliga inomhusmiljöer. Kraven i sådana tillämpningar kan uppfyllas med FLH-serien med IP67-klassade (förseglade och vattentäta) kontaktdon för ledning-till-ledning, inklusive FLH-P31-00 — ett rektangulärt uttag med tre lägen med ett ledaravstånd på 2,50 mm — och motsvarande FLH-S31-00-stickdon med rektangulärt hölje (figur 7); utföranden med upp till sex kontakter finns också.

Figur 7: För tillämpningar med lysdioder och kontaktdon som kräver IP67-klassning finns FLH-serien med 3-ledares FLH-P31-00-uttag med rektangulärt hölje (överst till vänster) och passande rektangulärt FLH-S31-00-stickdonshölje (uppe till höger), samt versioner med 2, 3, 4 och 6 stift. (Bildkälla: Amphenol ICC)

De förseglade och vattentäta kontakterna i denna serie gör dem särskilt väl lämpade för tuffa miljöer, och de kan användas såväl för belysning som inom VVS, industri och smarta hem, samtidigt som deras kompakta utformning också är en fördel för utrymmessnåla tillämpningar. Kontakterna i dessa kontaktdon är klassade för ett intervall av tråddimensioner och motsvarande strömmar: 18 American Wire Gauge (AWG) för 8 A, 20 AWG för 5 A, ned till 22 AWG för 3 A.

Det ingår mer i en installation än bara strömkontaktdon. För att lägga sista biten i konstruktionspusslet erbjuder Amphenol andra viktiga komponenter, som FLA-2141-30, ett ANSI C136-41-kompatibelt uttag som används för att ansluta en utomhusarmatur i väg-, gatu- och parkeringsmiljöer till en fotocell för dimningsmöjligheter (Figur 8). Utöver denna 2-kontaktsversionen finns det versioner helt utan kontakter och med fyra kontakter.

Figur 8: Den ANSI-kompatibla FLA-2141-30-dimmern ger en anslutning mellan en användarförsedd dimmer och armaturen. Den är avsedd för smart belysning som styrs av det tillgängliga omgivande ljuset (4-kontaktsvarianten visas). (Bildkälla: Amphenol ICC)

För mer avancerad sensorintegration kan en FLB-P-sockel läggas till i stället för fotocellen. Detta gör det möjligt lägga till ett kretskort med sensorer för en mängd andra funktioner som rörelsedetektering, luftkvalitet och ljuddetektering. Hela satsen kan sedan skyddas genom att lägga till ett FLB-C-kupolhölje. Obs: Dessa är inte avsedda för användning inomhus. Amphenol erbjuder också kupolen FLB-C70-501-001, en genomskinlig NEMA ANSI C136.41-kåpa som mäter 76 mm i diameter och 130 mm i höjd som är utformade för användning med FLB-P-socklar.

FLA-serien med dimningsuttag kan användas med en ANSI C136.10-kompatibel fotocell eller lock (öppen krets eller kortslutning). För ytterligare sensorintegration behöver konstruktörerna:

• FLA-uttaget
• FLB-P-sockel
• Ett kretskort med sensorer
• FLB-C-skyddskupol

Slutligen blir det med armaturförlängningsmodulen FLS-SB80-02 (80 mm) möjligt att lyfta dimningsenheten ovanför FLA-uttaget för att ansluta dimnings- och sensormoduler.

Slutsats

LED-baserad belysning har dramatiskt förvandlat både inom- och utomhusbelysning i industriella och kommersiella miljöer och bostäder. Det erbjuder en nästan perfekt kombination av energieffektivitet, lång livslängd och flexibilitet i armaturkonfigurationer. För att förenkla och påskynda LED-konstruktioner, uppfyller de olika kontaktdonsfamiljerna från Amphenol ICC kraven på inomhus- och utomhusbruk och är IP67-klassade, samtidigt som de uppfyller Zhaga-industristandarderna, vilket förbättrar systemkompatibiliteten och interoperabiliteten.

Vidare läsning:

1. Amphenol LED Lighting Products: Commercial / Industrial Lighting, Indoor & Outdoor
2. Zhaga Book 20 Compliant FLM Series | Datasheet Preview