Forstå og bruke de nye standardkontaktene for lysdiodebasert belysning, innendørs og utendørs

Lysdioder (LED-er) har revolusjonert innendørs- og utendørsbelysning. Effektiviteten, styrbarheten, fargespekteret, den termisk ytelsen og det unike formatet til denne faststoffbelysningen (SSL – solid-state lighting) har bidratt til å erstatte den ærverdige Edison-glødelampen (i tillegg til fluorescerende lamper, metallhalogenlamper og natriumdamplamper). I disse dager blir lysdioder tatt i betraktning først for flesteparten av nye installasjoner, innendørs og utendørs, og for eksisterende oppgraderinger. Teknikere må likevel være forsiktige. Rask innovasjon kommer ofte til en pris, for eksempel ikke-standard tilkoblinger og sluttbrukerløsninger som ikke samsvarer med hverandre, og dette bidrar til en negativ kundeopplevelse.

Det er ikke bare selve lyskilden som endrer seg radikalt. For eksempel kan lysdiodebasert belysning også endre utformingen og formatet til kontaktene – som er en nødvendig del av ethvert belysningssystem – samt lysarmaturene. Disse kontaktene fører ikke vekselstrøm, de fører i stedet lavere likespenning med en strømstyrke som vanligvis ligger i området 3–7 ampere (A). Et lysdiodebasert belysningssystem er ofte en del av et styringsnettverk som støtter industristandardene Digital Addressable Lighting Interface (DALI) og Zhaga, der resultatet er smart og energibesparende belysning med høy ytelse integrert i et intelligent hjem eller kontor.

Som et resultat, før teknikere fortsetter med et LED-basert belysningssystem, er det viktig at de gjør seg kjent med standardene og hvordan de reflekteres i kontakter på markedet etter hvert som nye utforminger dukker opp raskt.

Denne artikkelen tar for seg årsaken til den utstrakte bruken av lysdioder, og introduserer og beskriver deretter de to tilkoblingsstandardene som sikrer driftskompatibilitet, hurtig utvikling og enkel distribusjon av smarte lysdiodebaserte installasjoner. Kontakter fra Amphenol ICC introduseres, og bruken av dem beskrives som faktiske gjennomføringer av de relevante standardene og deres bruksområde.

Hvorfor lysdioder er så gjennomtrengende

Fremveksten av lysdioder som lyskilde skyldes mange faktorer:

• Lavere kostnader fører til økte volumer, noe som igjen fører til enda lavere kostnader og stadig økte volumer
• Forbedringer innen den grunnleggende påliteligheten og levetiden til lysdioder som lyskilder
• Forbedringer i strømkretsene, hovedsakelig strømforsyningene som driver disse lysdiodene
• Forbedret brukervennlig styring av lysdioder via smarte styringer og til og med nettverksbasert I/O
• Forbedringer i kvaliteten til optiske utganger i henhold til fargetemperatur (Kelvin) og fargegjengivelsesindeks (CRI – color rendering index)
• Offentlige insentiver, standarder og mandater for belysning med høyere effektivitet for å spare energi (estimatet er at belysning står for 15–20 % av det totale energiforbruket)
• Utvikling av standarder for industri og myndigheter som sikrer både driftskompatibilitet blant lysdiodebaserte lyskilder samt kompatibilitet med smarte styringer

Det siste punktet er spesielt viktig. En av de viktige egenskapene til den tradisjonelle glødelampen, som er i ferd med å tilsidesettes av lysdioder og, i mindre grad, fluorescerende pærer, er den nesten universelle bruken av «E26» Edison-lyspæreinnfatningen, med 26 mm diameter skrugjenger, i boliger i USA og mange andre land (figur 1). Det finnes også andre størrelser, for eksempel E12-kandelaber, men E26 er langt mer populær.

Figur 1: Den 26 mm E26 Edison-innfatningen er den mest populære lyspæreinnfatningen med stor margin, men mindre og større innfatninger som oppfyller ulike installasjonskrav er tilgjengelige. (Bildekilde: LOHAS LED Ltd.)

Standardisering med én enkelt innfatning og sokkel senker selvfølgelig kostnadene. Det stimulerer også tilgjengeligheten av mange pæreformer, strømnivåer og andre egenskaper som er bygget rundt denne innfatningen, samtidig som det reduserer bekymringene relatert til langsiktig erstatning av utbrente pærer. For å få brukere vant til lysdiodebelysning, brukte tidlige generasjoner av lysdiodepærer E26-innfatningen for å oppnå kompatibilitet med eksisterende sokler. Disse E26 lysdiodepærene selges fortsatt i stor grad, da det er utallige millioner av slike sokler i bruk i dag, og dette vil være situasjonen i lang tid fremover.

Lysdioder er imidlertid ganske forskjellige med tanke på strøm, spenning (DC – likestrøm) og energiforbruk sammenlignet med glødelamper, som vanligvis får strøm fra 120/240 volt (AC – vekselstrøm). E26-sokkelen har ofte relativt store skruterminaler for ledningene, noe som ugunstig for å drive lysdiodebaserte kilder (figur 2). For å gjøre det mulig for lysdioder å fullt ut realisere sitt potensial, fra systemnivået og ned til den fysiske tilkoblingen, er det derfor behov for nye standarder og kontakttyper.

Figur 2: De store skruterminalene som kreves for å koble til en E26-sokkel er ikke den mest hensiktsmessige løsningen for lysdiodebaserte lyskilder. (Bildekilde: Family Handyman via Pinterest)

Digital Illumination Interface Alliance (DiiA) så behovet for en moderne standard for belysningsgrensesnitt, så de utviklet DALI-standarden.

DALI-standarden omdefinerer belysningskonnektivitet

DALI er en dedikert protokoll for digital belysningsstyring som muliggjør enkel installasjon av robuste, skalerbare og fleksible belysningsnettverk (figur 3). Den første versjonen, DALI-1, var bedre egnet til digital styring, konfigurasjon og spørring av fluorescerende ballaster, uten å vise særlig hensyn til lysdioder. Den erstattet den enkle, enveisrettede, kringkastingslignende driften av eksisterende 0/1 til 10 volt analoge styringstilnærminger.

Figur 3: Den første versjonen av DALI-standarden definerte en styringssentral som koblet sammen alle elementene som ble strømsatt av de parallelle hovedstrømledningene. (Bildekilde: Omnialed)

Standarden inkluderer også et kringkastingsalternativ, så med en enkel omkonfigurering kan hver enkelt DALI-enhet tildeles en egen adresse som muliggjør digital styring av individuelle enheter. I tillegg kan DALI-enheter også programmeres til å operere i grupper slik at belysningssystemene kan omkonfigureres av programvare, og dermed unngå behovet for å endre ledningene.

Veksten av brukerforventninger kombinert med forbedringer innen lysdiodeteknologi, har oppmuntret til utviklingen av det som nå er DALI-2-standarden. DALI-2 er mer enn en industristandard – den er nå også en «International Electrotechnical Commission»-standard (IEC 62386). DALI-2 har mange nye kommandoer og funksjoner. Selv om DALI-1 kun inkluderte styringsmoduser, dekker DALI-2 styringsenheter som applikasjonsstyringer og inngangsenheter (f.eks. sensorer), samt strømforsyninger for buss. Den er fokusert på driftskompatibilitet av produkter fra forskjellige leverandører, og støttes av DALI-2-sertifiseringsprogrammet for å bekrefte produktkompatibilitet med spesifikasjonene (figur 4).

Figur 4: DALI-2-standarden tar større hensyn til lysdiodenes behov enn DALI-1, og har også nye kommandoer og oppdateringer. (Bildekilde: DALI Alliance)

I likhet med alle omfattende standarder, er DALI-2 komplisert. Kort sagt fungerer ett enkelt par med ledninger som bussen, og hver enhet i et DALI-nettverk kan adresseres individuelt. Bussen brukes til både signaler og strøm, og støttes av en strømforsyning som leverer opptil 250 milliamper (mA) ved 16 volt likestrøm (typisk). Standarden støtter enheter drevet av vekselstrømledningen eller en likestrømskinne.

Selv om det er forskjellige standarder som definerer ekstra lav spenning (ELV – extra low voltage), definerer IEC en ELV-enhet eller -krets som en der det elektriske potensialet mellom elektrisk leder og jord ikke overstiger 50 volt vekselstrøm eller 120 volt likestrøm. DALI-styringskabelen er klassifisert som ELV-potensial, og krever derfor kun grunnleggende isolasjon fra strømnettet. Den kan legges ved siden av strømnettkablene eller implementeres i en flerkjernet kabel som inkluderer nettspenning.

Utover DALI-2: Zhaga-spesifikasjonen er målrettet mot armaturer

Standarder som DALI-2 er viktige, men det er begrenset hvor langt de kan nå. Det er ikke innenfor deres virkningsområde å definere hvordan standarden skal knyttes til spesifikke bruksområder, for eksempel lysdiodebelysning og armaturer. For å løse dette problemet har det internasjonale Zhaga Consortium etablert bransjespesifikasjoner av grensesnitt for komponenter som brukes i lysdiodearmaturer. Konsortiet er et medlemsprogram for «IEEE Industry Standards and Technology Organization», og i 2019 hadde de mer enn 120 medlemmer.

Nå er det på tide å forklare hva som er forskjellen mellom en lysarmatur (light fixture) og en armatur (luminaire). Begrepet «armatur» (luminaire) brukes av «Illuminating Engineering Society (IES)»-lyshåndboken (Lighting Handbook), ANSI/NEMA-standarder og IEC. Det ble lagt til i «National Electrical Code (NEC)»-håndboken fra 2002, med en formell definisjon som «en komplett belysningsenhet bestående av en lampe eller lamper sammen med delene som er konstruert for å distribuere lyset, posisjonere og beskytte lampene og koble lampene til strømforsyningen». En armatur inkluderer lampen og alle komponentene som er direkte knyttet til distribusjon, posisjonering og beskyttelse av belysningsenheten, og inkluderer ikke støttekomponenter som for eksempel en arm, sene eller stolpe; festene som brukes til å feste armaturen; styrings- eller sikkerhetsinnretninger; eller strømforsyningsledere. Armaturer har mange ulike former, og de er tilgjengelige for en rekke ulike situasjoner, alt fra funksjonell utendørsbelysning for gater til innendørsbelysning for kontorer, og til og med for «trendy» butikk- eller hjemmebelysning.

«Lysarmatur» (fixture) er ikke definert av NEC, og refererer som regel til hva brukeren selv har i tankene. Dette kan inkludere noen få av eller alle de følgende elementene: lampen (pære), kanskje med en lampebeskyttelse, kuppelen, linsen eller diffusoren, støttemekanismen, stangen eller armaturbeslaget, samt andre elementer.

Zhaga-spesifikasjonene, som formelt kalles bøker (Books), adresserer elektriske, mekaniske, optiske, termiske og kommunikasjonsrelaterte grensesnitt, og muliggjør driftskompatibilitet av komponenter. Når teknikere velger å følge Zhaga-spesifikasjonene, sikrer de at brukere har komponenter som er driftskompatible og kan byttes ut eller vedlikeholdes, og at en lysdiodearmatur kan oppgraderes etter installasjon når ny teknologi blir tilgjengelig.

Zhaga Book 18 og Book 20 er av spesiell interesse for teknikere som arbeider med lysdiodebaserte armaturer, der førstnevnte er fokusert på utendørsinstallasjoner mens sistnevnte er for innendørsinstallasjoner:

• Zhaga Book 18:«Smart grensesnitt mellom utendørs lysarmaturer og moduler for sensor/kommunikasjon» spesifiserer strøm- og kommunikasjonsaspekter, i tillegg til mekanisk passform og elektriske pinner for et tilkoblingssystem, slik det er definert i utgave 1.0. Den forenkler tilføyelsen av installasjonsmoduler som sensorer og kommunikasjonsnoder til lysdiodearmaturer og sikrer plug-and-play-driftskompatibilitet.
• Zhaga Book 20: «Smart grensesnitt mellom innendørs lysarmaturer og moduler for sensor/kommunikasjon» definerer et smart grensesnitt mellom en innendørs lysdiodearmatur og en node for sensor/kommunikasjon. Noden kobles til lysdiodedriveren og styringssystemet, og kan vanligvis forsyne sensorinnganger eller aktivere kommunikasjon mellom nettverkskomponenter. Noder kan installeres og erstattes ute i felten.

Kontakter fullfører kretsen

Standarder er selvfølgelig svært viktig, så kompatibilitet og driftskompatibilitet begynner med det fysiske grensesnittet og den tilhørende kontakten (Figur 5). Bruken av DALI-spesifikasjonen og Zhaga-standardene støttes av et bredt utvalg kontakter som oppfyller (og overgår) disse kravene, og de gir samtidig brukerfleksibilitet for drift under forskjellige scenarier.

Figur 5: DALI-spesifikasjonen og Zhaga-standarden gir en komplett kabel- og kontakttilkoblingsbane for strøm og data fra strømkilde til lysdiode i en rekke ulike konfigurasjoner. (Bildekilde: Amphenol ICC)

For innendørs bruk definerer Zhaga Book 20 et avtagbart sammenkoblingsgrensesnitt for sensorer i intelligente bygningsnettverk. Amphenol ICC FLM-serien oppfyller DALI-standarden, og muliggjør «plug and play»-driftskompatibilitet for innendørs lysdiodearmaturer og sensorer eller kommunikasjonsmoduler. Zhaga Consortium valgte faktisk Amphenol FLM-serien som Zhaga Book 20-standarden.

To komplementære medlemmer av Amphenol ICC FLM-serien illustrerer Book 20-standarden i praksis: FLM-P21-00 SSL to-kontakts stikkontakthus for kabel/ledning til kabel/ledning-tilkoblinger med pinnekontakt, og FLM-S21-00 to-kontakts SSL-pluggkontakthus for kabel/ledning til kabel/ledning med stikkontakt. Andre modeller for overflatemonteringsteknologi (SMT – surface mount technology) har rett vinkel og vertikale konfigurasjoner for fleksibilitet når det kommer til konstruksjon (figur 6).

Figur 6: FLM-P21-00-stikkontakthuset og det tilhørende FLM-S21-00-pluggkontakthuset er grunnleggende to-leder-SSL-konnektorer. (Bildekilde: Amphenol ICC)

Noen av funksjonene i denne serien er:

• Avtagbare grensesnitt med en «poka yoke»-geometri (som betyr «idiotsikker» eller «feilsikker»), sikrer riktig sammenkobling
• En tilgjengelig plugg med verktøyfri innstikkterminering
• En integrert lavprofil fordypningslås-funksjon (dimple-latch) gir en minimum holdekraft på fem newton for å oppnå sikker sammenkobling, men som likevel er enkel å koble fra
• En plugg som er tilgjengelig på spole med krympekontakter eller innstikk-ledningsterminering for å muliggjøre hyppig sammensetning eller enkel sammensetning/vedlikehold ute i felten

Mange tiltenkte lysdiodeinstallasjoner er selvfølgelig ikke like enkle som vanlige innendørsinnstillinger. Kravene til slike installasjoner kan oppfylles med FLH-serien med ledning-til-ledning IP67-klassifiserte (forseglede og vanntette) kontakter, inkludert FLH-P31-00 – et tre-posisjons rektangulært stikkontakthus med en lederavstand på 2,50 mm – og den korresponderende FLH-S31-00, en rektangulær kontakthusplugg (figur 7). Versjoner med opptil seks kontakter tilbys også.

Figur 7: For lysdioder og andre kontaktinstallasjoner som krever IP67-klassifisering, er FLH-serien med tre-leder FLH-P31-00-stikkontakten med rektangulært kontakthus (øverst til venstre) og den tilhørende FLH-S31-00-pluggen med rektangulært kontakthus (øverst til høyre) tilgjengelig, i tillegg til 2-, 3-, 4- og 6-pinners versjoner. (Bildekilde: Amphenol ICC)

Den forseglede og vanntette ytelsen til kontakter i denne serien gjør dem spesielt godt egnet for tøffe miljøer, og de kan brukes til belysning samt situasjoner som omfatter klimaanlegg (HVAC), industri og smarte hjem, og den kompakte konstruksjonen er en fordel for installasjoner med plassmangel. Kontaktene i disse konnektorene er klassifisert for en rekke ledningstykkelser og tilsvarende strømverdier: 0,82 mm2 (18 AWG – American Wire Gauge) for 8 A; 0,52 mm2 (20 AWG) for 5 A; ned til 0,33 mm2 (22 AWG) for 3 A.

En installasjon handler om mer enn bare strømkontakter. For å fullføre installasjonsprosjektet, tilbyr Amphenol andre viktige komponenter, deriblant FLA-2141-30, en ANSI C136-41-kompatibel stikkontakt som brukes til å koble en utendørs armatur i installasjoner relatert til veier, gater og parkeringsplasser til en fotocelle for å oppnå dimmemuligheter (figur 8). I tillegg til denne to-kontaktversjonen, finnes det versjoner uten kontakter og fire kontakter.

Figur 8: Den ANSI-kompatible FLA-2141-30-dimmelampeholderen tilbyr en forbindelse mellom en brukerforsynt dimmer og armaturen. Den er ment for smart belysning som styres av tilgjengelig omgivende lys (fire-kontaktvarianten er vist). (Bildekilde: Amphenol ICC)

For mer avansert sensorintegrasjon, kan en FLB-P-innfatning legges til i stedet for fotocellen. Dette gjør det mulig å legge til et kretskort med sensorer for å oppnå en rekke andre funksjoner, for eksempel bevegelses-, luftkvalitets- og lyddeteksjon. Den komplette innretningen kan deretter beskyttes ved å legge til en FLB-C-kuppel. Merk: Disse er ikke beregnet for bruk innendørs. Amphenol tilbyr også FLB-C70-501-001-kuppelen, et gjennomsiktig NEMA ANSI C136.41-deksel som måler 76 mm i diameter og 130 mm i høyden, og som er utviklet for å brukes med FLB-P-innfatninger.

FLA-serien med dimmelampeholdere kan brukes med ANSI C136.10-kompatibel fotocelle eller kapsling (åpen krets eller kortslutning). For ytterligere sensorintegrasjon trenger teknikere følgende:

• FLA-lampeholderen
• FLB-P-innfatningen
• Et kretskort med sensorer
• FLB-C-beskyttelseskuppelen

Til slutt, FLS-SB80-02-armaturutvidermodulen (Luminaire Extension Module) (80 mm) som muliggjør løfting av dimmeinnretningen over lampeholderen i FLA-serien for å koble til dimme- og sensormoduler.

Konklusjon

Lysdiodebasert belysning har transformert både innendørs og utendørs belysning dramatisk i industrielle og kommersielle omgivelser samt boligmiljøer. Den tilbyr en nesten perfekt kombinasjon av energieffektivitet, lang levetid og fleksibilitet i armaturkonfigurasjoner. For å forenkle og akselerere lysdiodeutviklingen, oppfyller de forskjellige kontaktfamiliene fra Amphenol ICC innendørs-, utendørs- og IP67-krav, og oppfyller samtidig Zhaga-industristandardene, noe som dermed forbedrer systemkompatibilitet og interoperabilitet.

Videre lesning:

1. Amphenol lysdiodebelysningsprodukter: kommersiell/industriell belysning, innendørs og utendørs
2. Zhaga Book 20-kvalifisert FLM-serie | Forhåndsvisning av datablad