Inzicht in en toepassing van de nieuwe standaard connectoren voor LED-verlichting voor binnen en buiten

Lichtemitterende diodes (LED's) hebben een revolutie teweeggebracht in de binnen- en buitenverlichting. De efficiëntie, beheersbaarheid, het kleurenspectrum, de thermische prestaties en de unieke vormfactoren van deze solid-state lighting (SSL)-technologie hebben ertoe bijgedragen dat de eerbiedwaardige Edison gloeilamp (en ook de fluorescentie-, metaalhalogenide- of natriumdamplampen) aan de kant zijn geschoven. Voor de meeste nieuwe ontwerpen voor binnen en buiten, en ook voor bestaande upgrades, wordt nu eerst aan LED's gedacht. Toch moeten ontwerpers voorzichtig zijn. Snelle innovatie gaat gepaard met valkuilen, zoals niet-standaardverbindingen en niet op elkaar afgestemde eindgebruikersoplossingen, die allemaal bijdragen tot een negatieve klantervaring.

Het is niet alleen de lichtbron zelf die radicaal verandert. Op LED's gebaseerde verlichting verandert bijvoorbeeld ook het ontwerp en de vormfactor van de connectoren - een noodzakelijk onderdeel van elk verlichtingssysteem - en van de armaturen (armaturen genoemd). Op deze connectoren staat geen wisselspanning; in plaats daarvan staat een lagere gelijkspanning bij stromen van doorgaans 3 ampère (A) tot 7 A. Verder maakt een op LED's gebaseerd verlichtingssysteem vaak deel uit van een besturingsnetwerk dat de Digital Addressable Lighting Interface (DALI) en Zhaga industriestandaarden ondersteunt, wat intelligente, energiebesparende, hoogwaardige verlichting oplevert als onderdeel van een intelligent huis of kantoor.

Bijgevolg moeten ingenieurs, alvorens een op LED's gebaseerd verlichtingssysteem te ontwerpen, vertrouwd raken met de normen en met de manier waarop deze worden weerspiegeld in reële connectoren, aangezien er snel nieuwe ontwerpen opduiken.

In dit artikel wordt kort besproken waarom LED's zo wijdverbreid zijn geworden, en vervolgens worden de twee verbindingsnormen geïntroduceerd en beschreven die zorgen voor interoperabiliteit, snelle ontwikkeling en gemakkelijke toepassing van slimme, op LED's gebaseerde ontwerpen. Connectoren van Amphenol ICC worden geïntroduceerd, en het gebruik ervan wordt geschetst als een real-world belichaming van de relevante normen en hun toepassing.

Waarom LED's zo alomtegenwoordig zijn

De groei van leds als verlichtingsbron is te danken aan vele factoren:

• Lagere kosten drijven hogere volumes op, die op hun beurt leiden tot nog lagere kosten en steeds hogere volumes
• Verbetering van de basisbetrouwbaarheid en de levensduur van leds als lichtbronnen
• Verbeteringen in de circuits, vooral de voedingen die deze LED's aansturen
• Verbeterde eenvoudige bediening van LED's via slimme besturingen en zelfs netwerk-I/O
• Verbeteringen in de kwaliteit van de optische output zoals die wordt gekenmerkt door kleurtemperatuur (Kelvin) en kleurweergave-index (CRI)
• Overheidsstimulansen, -normen en -mandaten voor verlichting met een hoger rendement om energie te besparen (naar schatting gaat 15% tot 20% van het totale energieverbruik naar verlichting)
• Ontwikkeling van industrie- en overheidsnormen die zowel de interoperabiliteit tussen op LED's gebaseerde lichtbronnen als de compatibiliteit met slimme regelaars garanderen

Het laatste punt is bijzonder belangrijk. Een van de belangrijkste kenmerken van de traditionele gloeilamp, die in mindere mate wordt verdrongen door LED's en fluorescentielampen, is het vrijwel universele gebruik van de "E26" gloeilamp met een schroefdiameter van 26 millimeter (mm) en een Edison-basis in woonomgevingen in de Verenigde Staten en veel andere landen (Afbeelding 1). Er zijn andere maten, zoals de E12 kandelaar, maar de E26 wordt veruit het meest gebruikt.

Afbeelding 1: De 26 mm E26 Edison lampvoet is veruit de meest gebruikte lampvoet, hoewel er enkele kleinere en grotere zijn om aan de verschillende toepassingseisen te voldoen. (Afbeelding bron: LOHAS LED Ltd.)

Standaardisatie met een enkele voet en fitting verlaagt de kosten, natuurlijk. Het bevordert ook de beschikbaarheid van vele lampvormen, vermogensniveaus en andere attributen die rond die basis zijn opgebouwd, en vermindert de bezorgdheid over de vervanging op lange termijn van doorgebrande lampen. Vroege generaties LED-lampen maakten gebruik van de E26-basis voor compatibiliteit met bestaande fittingen om gebruikers te laten wennen aan LED-verlichting. Deze E26 LED-lampen worden nog steeds op grote schaal verkocht, aangezien er momenteel ontelbare miljoenen van dergelijke fittingen in gebruik zijn, en dat zal nog heel lang zo blijven.

Wat betreft stroom, spanning (gelijkstroom) en stroomverbruik zijn LED's echter heel anders dan gloeilampen, die gewoonlijk op het lichtnet worden aangesloten met 120/240 volt wisselstroom. Bovendien heeft de E26 fitting vaak relatief grote schroefklemmen voor de draden, die niet ideaal zijn voor de voeding van op LED's gebaseerde bronnen (figuur 2). Om leds in staat te stellen hun potentieel volledig te realiseren, van het systeemniveau tot de fysieke aansluiting, zijn nieuwe normen en soorten connectoren nodig.

Afbeelding 2: De grote schroefklemmen die nodig zijn voor de bedrading van een fitting met E26-basis, belemmeren de optimale benutting van de op LED's gebaseerde lichtbron. (Afbeelding bron: Family Handyman via Pinterest)

De Digital Illumination Interface Alliance (DiiA) onderkende de behoefte aan een moderne verlichtingsinterfacenorm en ontwikkelde de DALI-norm.

DALI-norm herdefinieert verlichtingsconnectiviteit

DALI is een speciaal protocol voor digitale verlichtingsbesturing dat de eenvoudige installatie van robuuste, schaalbare en flexibele verlichtingsnetwerken mogelijk maakt (Afbeelding 3). De eerste versie, DALI-1, was beter geschikt voor digitale besturing, configuratie en bevraging van fluorescentie-voorschakelapparaten met weinig aandacht voor LED's. Het verving de eenvoudige, eenrichtings, omroepachtige werking van bestaande 0/1 tot 10 volt analoge besturingsbenaderingen.

Afbeelding 3: De eerste versie van de DALI-norm definieerde een besturingsbasis die alle apparaten verbond die door de parallelle hoofdstroomdraden werden gevoed. (Afbeelding bron: Omnialed)

De standaard omvat ook een broadcast-optie, en met een eenvoudige herconfiguratie kan aan elk DALI-apparaat een afzonderlijk adres worden toegewezen, waardoor afzonderlijke apparaten digitaal kunnen worden bediend. Bovendien kunnen DALI-apparaten ook worden geprogrammeerd om in groepen te werken, zodat de verlichtingssystemen softwarematig opnieuw kunnen worden geconfigureerd, zodat de bedrading niet hoeft te worden veranderd.

De toename van de verwachtingen van de gebruikers en de verbeteringen in de LED-technologie hebben de ontwikkeling van wat nu de DALI-2 norm is, aangemoedigd. DALI-2 is meer dan een industriestandaard - het is nu ook een norm van de Internationale Elektrotechnische Commissie (IEC 62386). DALI-2 voegt veel nieuwe commando's en functies toe. DALI-1 omvatte alleen besturingsmodi, maar DALI-2 besturingstoestellen zoals applicatiecontrollers en invoerapparaten (b.v. sensoren), alsmede busvoedingen. Het is gericht op de interoperabiliteit van producten van verschillende leveranciers en wordt ondersteund door het DALI-2-certificeringsprogramma om de compatibiliteit van producten met de specificaties te bevestigen (figuur 4).

Afbeelding 4: De DALI-2 norm houdt meer rekening met de behoeften van LED's dan DALI-1 en voegt ook nieuwe commando's en updates toe. (Afbeelding bron: DALI Alliance)

Zoals alle uitgebreide normen, is DALI-2 gecompliceerd. Kort gezegd fungeert een enkel dradenpaar als bus, en kan elk apparaat op een DALI-netwerk afzonderlijk worden aangesproken. De bus wordt gebruikt voor zowel signalen als voeding en wordt ondersteund door een voeding die tot 250 milliampère (mA) levert bij 16 volt gelijkstroom (typisch). De norm ondersteunt apparaten die worden gevoed via de wisselstroomleiding of een gelijkstroomrail.

Hoewel er verschillende normen zijn die extra lage spanning (ELV) definiëren, definieert de IEC een ELV-apparaat of -circuit als een apparaat waarbij het elektrische potentiaal tussen de elektrische geleider en de aarde (aarding) niet hoger is dan 50 volt wisselstroom of 120 volt gelijkstroom. De DALI-besturingskabel is geclassificeerd als ELV-potentiaal en behoeft dus slechts een basisisolatie van het wisselstroomnet; zij kan naast het lichtnet worden gelegd of binnen een meeraderige kabel die ook het lichtnet omvat.

Verder dan DALI-2: Zhaga-specificatie richt zich op armaturen

Normen zoals DALI-2 zijn belangrijk, maar kunnen niet ver genoeg gaan. Het behoort niet tot hun bevoegdheid te bepalen hoe de norm moet worden gekoppeld aan specifieke toepassingen, zoals LED-verlichting en -armaturen. Om dit probleem aan te pakken, heeft het internationale Zhaga Consortium industriespecificaties opgesteld van interfaces voor componenten die in LED-armaturen worden gebruikt. Het consortium is een lidprogramma van de IEEE Industry Standards and Technology Organization en telt vanaf 2019 meer dan 120 leden.

Dit is een goed moment om duidelijk te maken wat het verschil is tussen een armatuur en een armatuur. De term "armatuur" wordt gebruikt in het "Illuminating Engineering Society (IES) Lighting Handbook", de ANSI/NEMA-normen en de IEC. Het werd in 2002 toegevoegd aan het handboek van de National Electrical Code (NEC), met een formele definitie als "een complete verlichtingseenheid bestaande uit een lamp of lampen samen met de onderdelen die zijn ontworpen om het licht te verspreiden, de lampen te positioneren en te beschermen, en de lampen aan te sluiten op de stroomvoorziening" Een armatuur omvat de lamp en alle onderdelen die rechtstreeks verband houden met de verdeling, plaatsing en bescherming van de lichteenheid, en omvat met name niet de ondersteunende onderdelen, zoals een arm, pees of paal; de bevestigingsmiddelen die worden gebruikt om de armatuur vast te zetten; regel- of beveiligingsapparatuur; of voedingsgeleiders. Armaturen nemen vele vormen aan en zijn verkrijgbaar voor een breed scala van situaties, variërend van strikt functionele straatverlichting voor buiten tot kantoorverlichting voor binnen, en zelfs tot "trendy" winkel- of huisverlichting.

"Armatuur" wordt niet gedefinieerd door de NEC en verwijst in het algemeen naar wat de gebruiker in gedachten heeft en kan enkele of alle van de volgende elementen omvatten: de lamp (bol), misschien met de lampbeschermkap, de globe, de lens of diffuser, de steun, de paal of armatuurfitting, en andere elementen.

De Zhaga-specificaties, die formeel Books worden genoemd, hebben betrekking op elektrische, mechanische, optische, thermische en communicatie-interfaces, en maken de interoperabiliteit van componenten mogelijk. Door zich te houden aan de Zhaga-specificaties kunnen ontwerpers ervoor zorgen dat gebruikers beschikken over componenten die interoperabel zijn en kunnen worden vervangen of onderhouden, en dat een LED-armatuur na de installatie kan worden opgewaardeerd wanneer nieuwe technologie beschikbaar komt.

Zhaga Book 18 en Book 20 zijn van bijzonder belang voor ontwerpers die met op LED gebaseerde armaturen werken; het eerste is gericht op ontwerpen voor buiten, terwijl het tweede bestemd is voor toepassingen binnenshuis:

• Zhaga Book 18: "Smart interface between outdoor luminaires and sensing/communication modules" specificeert voedings- en communicatieaspecten, naast de mechanische pasvorm en de elektrische pennen voor een connectiviteitssysteem als gedefinieerd in Editie 1.0. Het vereenvoudigt de toevoeging van applicatiemodules zoals sensoren en communicatieknooppunten aan LED-armaturen en verzekert plug-and-play interoperabiliteit.
• Zhaga Book 20: "Slimme interface tussen binnenhuisarmaturen en sensoren/communicatiemodules" definieert een slimme interface tussen een LED-binnenhuisarmatuur en een sensoren/communicatieknooppunt. Het knooppunt wordt verbonden met de LED-driver en het besturingssysteem, en kan gewoonlijk sensorische inputs leveren of communicatie tussen netwerkcomponenten mogelijk maken. Knooppunten kunnen in het veld worden geïnstalleerd en vervangen.

Connectoren maken het circuit compleet

Normen zijn uiteraard van cruciaal belang, en compatibiliteit en interoperabiliteit beginnen bij de fysieke interface en de bijbehorende connector (Afbeelding 5). Het gebruik van de DALI-specificatie en Zhaga-normen wordt ondersteund door een ruime keuze aan connectoren die voldoen aan hun eisen (en deze overtreffen) en tegelijkertijd de gebruiker flexibiliteit bieden voor gebruik onder verschillende scenario's.

Afbeelding 5: De DALI-specificatie en de Zhaga-norm bieden een volledig kabel- en connectorenconnectiviteitspad voor stroom en data van stroombron naar verlichtende LED in een verscheidenheid van configuraties. (Afbeelding bron: Amphenol ICC)

Voor gebruik binnenshuis definieert Zhaga Book 20 een scheidbare koppelingsinterface voor sensoren in intelligente netwerken van gebouwen. De Amphenol ICC FLM-serie voldoet aan de DALI-standaard en maakt "plug and play" bediening mogelijk voor LED-armaturen binnenshuis en sensoren of communicatiemodules. Het Zhaga Consortium heeft zelfs de Amphenol FLM serie gekozen als Zhaga Book 20 norm.

Twee complementaire leden van de Amphenol ICC FLM-serie illustreren de Book 20-norm in de praktijk: de FLM-P21-00 SSL-connector met twee contacten voor pencontactverbindingen van kabel/draad naar kabel/draad, en de FLM-S21-00-contactstekker met twee contacten SSL voor buscontactverbindingen van kabel/draad naar kabel/draad. Andere SMT-modellen (oppervlakmontagetechnologie) hebben haakse en verticale configuraties voor ontwerpflexibiliteit (figuur 6).

Figuur 6: De FLM-P21-00-aansluitbehuizing en de bijbehorende FLM-S21-00-plugbehuizing zijn eenvoudige tweedraads SSL-connectoren. (Afbeelding bron: Amphenol ICC)

Tot de kenmerken van deze serie behoren:

• Scheidbare interfaces met een "poka yoke"-geometrie (wat betekent "fool-proof" of "foutbestendig"), die een correcte paringsuitlijning garandeert
• Een beschikbare stekker met gereedschapsloze insteeksluiting
• Een geïntegreerde dimple-latch met laag profiel die een minimumhoudkracht van vijf newton biedt voor veilig koppelen en toch gemakkelijk loskoppelen
• Een stekker die beschikbaar is op rol met krimpcontacten of insteekdraadaansluitingen om grote assemblagevolumes of eenvoudige assemblage/service ter plaatse mogelijk te maken

Natuurlijk zijn veel beoogde LED-toepassingen niet zo goedaardig als gewone binnenomgevingen. Aan de eisen van dergelijke toepassingen kan worden voldaan met de FLH-serie van draad-op-draad connectoren met beschermingsgraad IP67 (afgedicht en waterdicht), waaronder de FLH-P31-00 een drie-positie rechthoekige behuizing met een positie van 2,50 mm en de bijbehorende FLH-S31-00 rechthoekige plugbehuizing (Afbeelding 7); er zijn ook versies met maximaal zes contacten verkrijgbaar.

Afbeelding 7: Voor LED's en andere connectortoepassingen die een IP67-classificatie vereisen, is de FLH-serie met de driedraads FLH-P31-00 rechthoekige behuizingsaansluiting (linksboven) en de bijbehorende FLH-S31-00 rechthoekige behuizingsstekker (rechtsboven) verkrijgbaar, evenals 2-, 3-, 4-, en 6-pins versies. (Afbeelding bron: Amphenol ICC)

De afgedichte en waterdichte prestaties van de connectoren in deze serie maken ze bijzonder geschikt voor ruwe omgevingen, en ze kunnen worden gebruikt voor verlichting en HVAC, industriële en smart home-situaties, terwijl hun compacte ontwerp ook een voordeel is voor ruimtebesparende toepassingen. De contacten in deze connectoren zijn geschikt voor een reeks van draaddiktes en bijbehorende stroomsterktes: 18 American Wire Gauge (AWG) voor 8 A; 20 AWG voor 5 A; tot 22 AWG voor 3 A.

Er komt meer kijken bij een installatie dan alleen stroomconnectoren. Om het ontwerpproject af te ronden, biedt Amphenol nog andere belangrijke componenten, waaronder de FLA-2141-30, een ANSI C136-41-contactdoos die wordt gebruikt om een buitenarmatuur in weg-, straat- en parkeertoepassingen aan te sluiten op een fotocel voor dimmogelijkheden (afbeelding 8). Naast deze versie met twee contacten zijn er versies zonder contacten en met vier contacten.

Afbeelding 8: De ANSI-conforme FLA-2141-30 dimmerhouder biedt een verbinding tussen een door de gebruiker geleverde dimmer en de armatuur. Hij is bedoeld voor slimme verlichting die wordt gestuurd door het beschikbare omgevingslicht (afgebeeld is de variant met vier contacten). (Afbeelding bron: Amphenol ICC)

Voor meer geavanceerde sensorintegratie kan een FLB-P basis worden toegevoegd in plaats van de fotocel. Hierdoor kan een printplaat worden toegevoegd met sensoren voor allerlei andere functies, zoals bewegingsdetectie, luchtkwaliteit en geluidsdetectie. Het geheel kan vervolgens worden beschermd door een FLB-C koepelafdekking toe te voegen. Opmerking: Deze zijn niet bedoeld voor gebruik binnenshuis. Amphenol biedt ook de FLB-C70-501-001 Dome, een NEMA ANSI C136.41 doorschijnende afdekking met een diameter van 76 mm en een hoogte van 130 mm, die ontworpen is voor gebruik met de FLB-P voetstukken.

De FLA-serie dimbare receptacles kan worden gebruikt met een ANSI C136.10 fotocel of kap (open circuit of kortsluiting). Voor extra sensor integratie hebben ontwerpers nodig:

• De FLA-aansluiting
• De FLB-P basis
• Een printplaat met sensoren
• De FLB-C beschermende koepel

Tot slot kan met de FLS-SB80-02 armatuurverlengmodule (80 mm) de dimassemblage boven de FLA-aansluitdoos worden getild om dim- en sensormodules aan te sluiten.

Conclusie

LED-verlichting heeft zowel de binnen- als buitenverlichting in industriële, commerciële en residentiële omgevingen ingrijpend veranderd. Het biedt een bijna perfecte combinatie van energie-efficiëntie, lange levensduur en flexibiliteit in armatuurconfiguraties. Om het ontwerp van LED's te vereenvoudigen en te versnellen, voldoen de verschillende connectorfamilies van Amphenol ICC aan de binnen-, buiten- en IP67-eisen, terwijl ze ook voldoen aan de Zhaga-industrienormen, waardoor de systeemcompatibiliteit en interoperabiliteit worden verbeterd.

Verder lezen:

1. Amphenol LED verlichtingsproducten: commerciële / industriële verlichting, binnen & buiten
2. Zhaga Book 20 compliant FLM-serie | Datasheet Preview