Zrozumienie i stosowanie nowych, standardowych złączy do oświetlenia wnętrz i przestrzeni zewnętrznych opartego na diodach LED

Diody elektroluminescencyjne (LED) zrewolucjonizowały oświetlenie wnętrz i przestrzeni zewnętrznych. Sprawność, możliwość sterowania, spektrum kolorów, parametry termiczne i unikalne kształty stosowane w technologii oświetlenia półprzewodnikowego (SSL) pomogły odsunąć na bok zasłużoną żarówkę Edisona (a także lampy fluorescencyjne, metalohalogenkowe i sodowe). Obecnie, w przypadku większości nowych projektów wnętrz i przestrzeni zewnętrznych, jak również modernizacji istniejących przestrzeni, diody LED są brane pod uwagę w pierwszej kolejności. Jednak projektanci muszą postępować rozważnie. Wraz z szybkimi innowacjami pojawiają się pułapki, takie jak niestandardowe połączenia i niedopasowane rozwiązania dla użytkowników końcowych, które przyczyniają się do negatywnych doświadczeń klientów.

Nie tylko samo źródło światła ulega radykalnej zmianie. Na przykład, oświetlenie oparte na diodach LED zmienia również konstrukcję i wielkość złączy, które są niezbędnym elementem każdego systemu oświetleniowego, a także lamp, nazywanych oprawami oświetleniowymi. Złączami tymi nie przepływa prąd zmienny o napięciu sieci elektrycznej, lecz prąd stały o niższym napięciu i natężeniu w zakresie od 3A do 7A. Ponadto system oświetleniowy oparty na diodach LED jest często częścią sieci sterującej obsługującej standardy branżowe, takie jak Digital Addressable Lighting Interface (DALI) i Zhaga, włączając w efekcie inteligentne, energooszczędne i wysokowydajne oświetlenie do systemów inteligentnego domu lub biura.

W związku z tym, przed przystąpieniem do projektowania systemu oświetlenia opartego na diodach LED, obowiązkiem projektantów jest zapoznanie się z normami i ich odzwierciedleniem w rzeczywistych złączach, ponieważ bardzo szybko pojawiają się nowe konstrukcje.

W tym artykule omówiono pokrótce powody, dla których diody LED stały się tak wszechobecne, a następnie przedstawiono i opisano dwa standardy połączeń, które zapewniają interoperacyjność, szybkie opracowywanie i łatwe wdrażanie inteligentnych projektów opartych na diodach LED. Przedstawiono złącza firmy Amphenol ICC, a ich zastosowanie zostało omówione jako wdrożenie w życie odpowiednich norm i ich zastosowania.

Powód wszechobecności diod LED

Na wzrost popularności diod LED jako źródeł światła wpłynęło wiele czynników:

• niższe koszty sprzyjają wyższym wolumenom produkcji, które z kolei stymulują jeszcze niższe koszty i coraz wyższe wolumeny
• zwiększenie podstawowej niezawodności i trwałości diod LED jako źródeł światła
• ulepszenia w obwodach, głównie w zasilaczach, dzięki którym diody LED mogą działać
• większa łatwość sterowania diodami LED za pomocą inteligentnych sterowników, a nawet wejść i wyjść połączonych z siecią
• ulepszenia w jakości wytwarzanego światła, określane temperaturą barwową (Kelvin) i wskaźnikiem odwzorowania barw (CRI)
• zachęty rządowe, standardy i nakazy stosowania oświetlenia o wyższej sprawności w celu oszczędzania energii (szacuje się, że od 15% do 20% całkowitego zużycia energii przypada na oświetlenie)
• opracowanie norm branżowych i rządowych, które zapewnią zarówno interoperacyjność źródeł światła opartych na diodach LED, jak i kompatybilność z inteligentnymi kontrolerami

Ostatni punkt jest szczególnie ważny. Jedną z ważnych cech tradycyjnej żarówki, która jest wypierana przez diody LED i w mniejszym stopniu przez świetlówki, jest niemal powszechne stosowanie żarówki z wkręcanym trzonkiem Edisona „E26” o średnicy 26mm w pomieszczeniach mieszkalnych w Stanach Zjednoczonych i wielu innych krajach (ilustracja 1). Istnieją inne rozmiary, takie jak świecowe E12, ale rozmiar E26 jest zdecydowanie najczęściej używany.

Ilustracja 1: trzonek Edisona E26 o średnicy 26mm jest najczęściej używanym trzonkiem żarówki, chociaż istnieją mniejsze i większe, spełniające wymagania różnych zastosowań. (Źródło ilustracji: LOHAS LED Ltd.)

Standaryzacja z wykorzystaniem jednego trzonka i oprawki oczywiście obniża koszty. Sprzyja również dostępności wielu kształtów żarówek, poziomów mocy i innych atrybutów zbudowanych wokół tego trzonka, zmniejszając jednocześnie obawy związane z wymianą przepalonych żarówek w dłuższej perspektywie. Wczesne generacje żarówek LED wykorzystywały trzonek E26 w celu zapewnienia kompatybilności z istniejącymi oprawkami, aby przyzwyczaić użytkowników do oświetlenia LED. Żarówki LED E26 są nadal powszechnie dostępne w sprzedaży, ponieważ obecnie w użyciu są niezliczone miliony takich oprawek i będzie tak jeszcze bardzo długo.

Jednak diody LED różnią się od żarówek żarnikowych, które są zazwyczaj zasilane z sieci elektrycznej o napięciu 120/240V prądu zmiennego, pod względem natężenia prądu, napięcia (prąd stały) i poboru mocy. Ponadto oprawka E26 często ma stosunkowo duże zaciski śrubowe na przewody, które nie są idealne do zasilania źródeł światła opartych na diodach LED (ilustracja 2). Dlatego, aby diody LED mogły w pełni wykorzystać swój potencjał od poziomu systemu aż po fizyczne połączenie, potrzebne są nowe standardy i typy złączy.

Ilustracja 2: duże zaciski śrubowe wymagane do oprzewodowania oprawki dla żarówki z trzonkiem E26 przeszkadzają w optymalnym wykorzystaniu źródła światła opartego na diodach LED. (Źródło ilustracji: Family Handyman w serwisie Pinterest)

Dostrzegając potrzebę stworzenia nowoczesnego standardu interfejsu oświetleniowego, organizacja Digital Illumination Interface Alliance (DiiA) opracowała standard DALI.

Standard DALI - nowa definicja połączeń oświetleniowych

DALI to wyspecjalizowany protokół do cyfrowego sterowania oświetleniem, który umożliwia łatwą instalację solidnych, skalowalnych i elastycznych sieci oświetleniowych (ilustracja 3). Pierwsza wersja, DALI-1, była lepiej dostosowana do cyfrowego sterowania, konfiguracji i sprawdzania stanu stateczników fluorescencyjnych bez zwracania szczególnej uwagi na diody LED. Zastąpiła ona proste, jednokierunkowe, transmisyjne działanie analogowych rozwiązań sterujących, działających w trybie 0/1 do 10V.

Ilustracja 3: pierwsza wersja standardu DALI zdefiniowała bazę sterowania, która połączyła wszystkie elementy zasilane przez równoległe przewody sieci prądu zmiennego. (Źródło ilustracji: Omnialed)

Standard obejmuje również opcję transmisyjną, a przy prostej rekonfiguracji do każdego urządzenia DALI można przypisać oddzielny adres pozwalający na cyfrowe sterowanie poszczególnymi urządzeniami. Ponadto urządzenia DALI można również programować tak, aby działały w grupach, umożliwiając zamianę konfiguracji systemów oświetleniowych przy użyciu oprogramowania, co pozwala uniknąć potrzeby wymiany oprzewodowania.

Wzrost oczekiwań użytkowników wraz z postępem w technologii LED przyczynił się do rozwoju standardu DALI-2. DALI-2 to coś więcej niż standard branżowy. Teraz to również norma Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC 62386). DALI-2 wprowadza wiele nowych poleceń i funkcji. Podczas gdy standard DALI-1 obejmował tylko tryby sterowania, DALI-2 obejmuje urządzenia sterujące, takie jak kontrolery aplikacji i urządzenia wejściowe (np. czujniki), a także zasilacze magistrali. Skupia się on na interoperacyjności produktów różnych producentów i jest wspierany przez program certyfikacji DALI-2, potwierdzający zgodność produktu ze specyfikacją (ilustracja 4).

Ilustracja 4: standard DALI-2 w większym stopniu uwzględnia potrzeby związane z diodami LED niż DALI-1, dodając nowe polecenia i aktualizacje. (Źródło ilustracji: DALI Alliance)

Jak wszystkie kompleksowe standardy, standard DALI-2 jest skomplikowany. Mówiąc krótko, pojedyncza para przewodów stanowi magistralę, a każde urządzenie w sieci DALI może mieć indywidualny adres. Magistralą przesyłane są zarówno sygnały, jak i zasilanie, a jest ona obsługiwana przez zasilacz, który (zwykle) dostarcza prąd stały o natężeniu do 250mA i napięciu 16V. Standard uwzględnia urządzenia zasilane z linii prądu zmiennego lub z szyn prądu stałego.

Chociaż istnieją różne normy definiujące bardzo niskie napięcie (ELV), IEC definiuje urządzenie lub obwód ELV jako taki, w którym potencjał elektryczny pomiędzy żyłą elektryczną a ziemią (uziemieniem) nie przekracza 50V~ lub 120V=. Kabel sterujący DALI zalicza się do potencjału bardzo niskiego napięcia (ELV) i w związku z tym wymaga tylko podstawowej izolacji od sieci prądu zmiennego, może być prowadzony wzdłuż tej sieci lub w kablu wielożyłowym obejmującym zasilanie sieciowe.

DALI-2 i nie tylko: specyfikacja Zhaga jest przeznaczona dla źródeł światła

Standardy takie jak DALI-2 są ważne, ale mogą uwzględniać tylko część zagadnień. Do ich kompetencji nie należy definiowanie, w jaki sposób norma ma być powiązana z konkretnymi zastosowaniami, takimi jak oświetlenie i oprawy oświetleniowe LED. Aby rozwiązać ten problem, międzynarodowe konsorcjum Zhaga ustanowiło branżowe specyfikacje interfejsów dla komponentów stosowanych w oprawach oświetleniowych LED. Konsorcjum jest programem członkowskim IEEE Industry Standards and Technology Organization, a w 2019 roku zrzeszało ponad 120 członków.

Teraz jest dobry moment, aby objaśnić różnicę między lampą, a oprawą oświetleniową. Określenie „oprawa oświetleniowa” jest używane w podręczniku instalacji oświetleniowych (Lighting Handbook) wydanym przez Illuminating Engineering Society (IES), w normach ANSI/NEMA i przez IEC. Termin ten dodano do instrukcji National Electric Code (NEC) w 2002 r., z następującą formalną definicją: „kompletna jednostka oświetleniowa, składająca się ze źródła lub źródeł światła z częściami przeznaczonymi do rozprowadzania światła, do ustawiania i ochrony źródeł światła i do podłączania źródeł światła do zasilania”. Oprawa oświetleniowa zawiera źródło światła i wszystkie elementy bezpośrednio związane z rozprowadzaniem światła, ustawieniem i ochroną jednostki oświetleniowej i nie zawiera w szczególności elementów podtrzymujących, takich jak ramię, wieszak lub słupek, elementów mocujących służących do przymocowania oprawy oświetleniowej, elementów sterowania i zabezpieczeń, ani żył zasilających. Oprawy oświetleniowe mają wiele różnych kształtów i są dostępne dla szerokiego zakresu zastosowań, od ściśle funkcjonalnego oświetlenia zewnętrznego ulic do wewnętrznego oświetlenia biur, a nawet do „modnego” oświetlenia detalicznego lub domowego.

Termin „lampa” nie jest zdefiniowany przez NEC i ogólnie odnosi się do tego, co użytkownik akurat ma na myśli i może obejmować niektóre lub wszystkie z następujących elementów: źródło światła (żarówka), być może z osłoną źródła światła, kloszem, soczewką lub dyfuzorem, wspornikiem, słupkiem lub mocowaniem urządzenia lub innymi elementami.

Specyfikacje Zhaga, formalnie nazywane księgami dotyczą interfejsów elektrycznych, mechanicznych, optycznych, termicznych i komunikacyjnych oraz umożliwiają interoperacyjność komponentów. Przestrzegając specyfikacji Zhaga, projektanci mogą zapewnić użytkownikom komponenty, które są interoperacyjne i mogą być wymieniane lub serwisowane, a także możliwość modernizacji oprawy oświetleniowej LED po jej zainstalowaniu, gdy dostępna będzie nowa technologia.

Księga 18 i księga 20 specyfikacji Zhaga są szczególnie interesujące dla projektantów pracujących z oprawami oświetleniowymi opartymi na diodach LED; pierwsza z nich skupia się na projektowaniu dla przestrzeni zewnętrznych, natomiast druga jest przeznaczona do zastosowań wewnętrznych:

• Księga 18 specyfikacji Zhaga: „Inteligentny interfejs między zewnętrznymi oprawami oświetleniowymi i modułami czujników/komunikacji” określa aspekty zasilania i komunikacji, oprócz dopasowania mechanicznego i wtyków elektrycznych dla systemu łączności zgodnego z definicją z wydania 1.0. Upraszcza ona dodawanie modułów aplikacyjnych takich jak czujniki i węzły komunikacyjne do opraw oświetleniowych LED z zapewnieniem interoperacyjności w trybie plug-and-play.
• Księga 20 specyfikacji Zhaga: „Inteligentny interfejs między oprawami oświetleniowymi we wnętrzach i modułami czujników/komunikacji” definiuje inteligentny interfejs między oprawą oświetleniową LED we wnętrzu i węzłem czujnika/komunikacji. Węzeł łączy się ze sterownikiem LED i układem sterowania i zazwyczaj może dostarczać sygnały wejściowe z czujników lub umożliwiać komunikację między komponentami sieci. Węzły można instalować i wymieniać w terenie.

Złącza pozwalają wykonać kompletny obwód

Normy mają oczywiście znaczenie krytyczne, a kompatybilność i interoperacyjność zaczyna się od fizycznego interfejsu i jego złącza (ilustracja 5). Stosowaniu specyfikacji DALI i standardów Zhaga towarzyszy szeroki wybór złączy, które spełniają (i przekraczają) ich wymagania, zapewniając użytkownikom elastyczność działania w różnych okolicznościach.

Ilustracja 5: specyfikacja DALI i standard Zhaga zapewniają kompletną ścieżkę połączeń kablowych i złączy do zasilania i przesyłu danych od źródła zasilania do oświetleniowej diody LED w różnych konfiguracjach. (Źródło ilustracji: Amphenol ICC)

Do zastosowań wewnętrznych księga 20 specyfikacji Zhaga definiuje rozłączny interfejs połączeń dla czujników w sieciach budynków inteligentnych. Seria FLM firmy Amphenol ICC jest zgodna ze standardem DALI i zapewnia funkcjonalność „plug and play” dla opraw oświetleniowych LED, czujników i modułów komunikacyjnych we wnętrzach. Zhaga Consortium wybrało nawet serię FLM firmy Amphenol jako standard w księdze 20 specyfikacji Zhaga.

Dwa wzajemnie uzupełniające się elementy serii FLM firmy Amphenol ICC ilustrują standard księgi 20 w praktyce. Jest to obudowa gniazda złącza dwustykowego FLM-P21-00 SSL do połączeń kablowo-przewodowych ze stykiem wtykowym i dwustykowa obudowa wtyczki FLM-S21-00 SSL do połączeń kablowo-przewodowych ze stykiem gniazdowym. Inne modele w technologii do montażu powierzchniowego (SMT) to między innymi konfiguracje montowane pod kątem prostym i pionowo, zapewniające elastyczność projektową (ilustracja 6).

Ilustracja 6: obudowa gniazda FLM-P21-00 i pasująca obudowa wtyczki FLM-S21-00 to podstawowe, dwuprzewodowe złącza SSL. (Źródło ilustracji: Amphenol ICC)

Cechy tej serii obejmują:

• Rozdzielne interfejsy z geometrią w systemie „poka yoke” (co oznacza „odporny na błędy”), który zapewnia prawidłowe dopasowanie złączy
• Dostępna wtyczka z beznarzędziowym zakończeniem wtykowym
• Zintegrowany niskoprofilowy zatrzask wgłębny, który zapewnia minimalną siłę przytrzymywania wynoszącą pięć niutonów, umożliwiając bezpieczne łączenie, a jednocześnie łatwe rozłączanie
• Wtyczka dostępna na szpuli z zagniatanymi stykami gniazdowymi lub opcjami zakończenia przewodu metodą wtykową, umożliwiająca montaż w dużych ilościach lub łatwy montaż/serwisowanie w terenie

Oczywiście wiele planowanych zastosowań LED nie jest tak nieskomplikowanych jak zwykłe konfiguracje do wnętrz. Wymagania takich zastosowań mogą być spełnione dzięki serii FLH złączy przewodowych o stopniu ochrony IP67 (szczelnie zamkniętych i wodoszczelnych), obejmującej złącze FLH-P31-00, które jest trzypunktową, prostokątną obudową gniazda o rastrze 2,50mm i dopasowane do niego złącze FLH-S31-00, które jest prostokątną obudową wtyczki (ilustracja 7); dostępne są również wersje z maksymalną liczbą sześciu styków.

Ilustracja 7: dla diod LED i innych zastosowań złączy wymagających stopnia ochrony IP67 dostępna jest seria FLH z trójprzewodowym gniazdem FLH-P31-00 w obudowie prostokątnej (z lewej strony u góry) i pasującą do niego wtyczką FLH-S31-00 w obudowie prostokątnej (z prawej strony u góry). Dostępne są wersje z 2, 3, 4 i 6 wtykami. (Źródło ilustracji: Amphenol ICC)

Szczelne połączenie i wodoszczelność złączy z tej serii sprawia, że są szczególnie dobrze dopasowane do trudnych warunków środowiskowych i można ich używać w zastosowaniach oświetleniowych, a także w systemach klimatyzacyjnych i wentylacyjnych, przemysłowych i domach inteligentnych. Ich kompaktowa budowa jest również zaletą w przypadku zastosowań wymagających oszczędności miejsca. Styki w tych złączach są dostosowane do szeregu przekrojów przewodów i odpowiednich natężeń prądu: przekrój przewodu 18AWG (American Wire Gauge) do natężenia 8A; przekrój 20AWG do natężenia 5A i wreszcie przekrój 22AWG do natężenia 3A.

Instalacje to coś więcej niż same złącza zasilające. Jako dopełnienie projektu firma Amphenol oferuje inne kluczowe komponenty, takie jak FLA-2141-30, gniazda zgodne z ANSI C136-41 służące do podłączania zewnętrznych opraw oświetleniowych w zastosowaniach drogowych, ulicznych i parkingowych z fotokomórką regulacji jasności (ilustracja 8). Oprócz wersji dwustykowej dostępne są wersje bez styków i z czterema stykami.

Ilustracja 8: zgodne z ANSI gniazdo FLA-2141-30 do regulacji jasności zapewnia połączenie między dostarczonym przez użytkownika ściemniaczem i oprawą oświetleniową. Jest ono przeznaczone do inteligentnych systemów oświetleniowych sterowanych światłem występującym w otoczeniu (przedstawiono wersję z czterema stykami). (Źródło ilustracji: Amphenol ICC)

W celu bardziej zaawansowanej integracji czujników zamiast fotokomórki można zastosować podstawę FLB-P. Pozwala ona na dodanie płytki drukowanej z czujnikami do obsługi różnych innych funkcji, takich jak wykrywanie ruchu, dźwięku i jakości powietrza. Cały zespół można wtedy zabezpieczyć przez dodanie kopułki FLB-C. Uwaga: te rozwiązania nie są przeznaczone do użytku w pomieszczeniach. Firma Amphenol oferuje również kopułkę FLB-C70-501-001, półprzezroczystą osłonę zgodną z NEMA ANSI C136.41, o średnicy 76mm i wysokości 130mm, przeznaczoną do stosowania z podstawami FLB-P.

Serię FLA gniazd do regulacji jasności można używać ze zgodną z ANSI C136.10 fotokomórką lub kołpakiem (z obwodem otwartym lub zwartym). Do integracji dodatkowych czujników projektanci potrzebują:

• gniazda FLA
• podstawy FLB-P
• płytki drukowanej z czujnikami
• kopułki ochronnej FLB-C

I wreszcie moduł rozszerzeń oprawy oświetleniowej FLS-SB80-02 (80 mm) umożliwia podniesienie zespołu regulacji jasności nad gniazdo z serii FLA w celu połączenia modułów regulacji jasności i czujników.

Podsumowanie

Oświetlenie oparte na diodach LED radykalnie zmieniło oświetlenie wewnętrzne i zewnętrzne w obiektach przemysłowych, handlowych i mieszkalnych. Oferuje ono niemal idealne połączenie sprawności energetycznej, trwałości i elastyczności konfiguracji opraw oświetleniowych. Aby uprościć i przyspieszyć projektowanie urządzeń z diodami LED, różne grupy złączy Amphenol ICC spełniają wymagania zastosowań we wnętrzach, na zewnątrz i stopnia ochrony IP67, a także standardy przemysłowe Zhaga, zwiększając w ten sposób kompatybilność i współdziałanie systemów.

Materiały dodatkowe:

1. Oświetleniowe produkty LED firmy Amphenol: oświetlenie komercyjne i przemysłowe, wewnętrzne i zewnętrzne
2. Seria FLM zgodna z księgą 20 specyfikacji Zhaga | przegląd arkusza danych