Beltéri és kültéri LED-alapú világítás

Új szabványos csatlakozók és alkalmazásuk

A fénykibocsátó diódák (LED-ek) forradalmasították a beltéri és kültéri világítást. Ennek a szilárdtestalapú világítási (SSL) technológiának a hatásfoka, vezérelhetősége, színspektruma, hőteljesítménye és egyedi formatényezői elősegítették a tiszteletreméltó Edison-izzók (valamint a fénycsövek, fémhalogén, nátriumgőzlámpák) visszaszorulását.

Napjainkban a legtöbb beltéri és kültéri új létesítménynél, de a folyamatban levő felújítások esetében is a LED-eket részesítik előnyben. A tervezőknek azonban óvatosnak kell lenniük. A gyors innováció olyan buktatókkal jár, mint a nem szabványos csatlakozók és a nem megfelelően párosított végfelhasználói megoldások, amelyek mind hozzájárulnak a negatív ügyfélélményhez. Nem csak maga a fényforrás változik radikálisan. Például a LED-alapú világítás megváltoztatja a csatlakozók – amelyek minden világítási rendszer szükséges részei – és az őket befogadó berendezések (úgynevezett lámpatestek) kialakítását és alakját is. Ezek a csatlakozók nem az AC hálózati feszültséget vezetik, hanem alacsonyabb feszültségű egyenáramot, általában 3 és 7 A közötti erősséggel. Ezenkívül a LED-alapú világítási rendszer gyakran egy, a digitálisan címezhető világítási interfész (DALI – Digital Addressable Lighting Interface) és a Zhaga ipari szabványokat támogató vezérlőhálózat része, egy intelligens, energiatakarékos, a célnak jól megfelelő világítást eredményez az okosotthon vagy -iroda részeként.
Ennek eredményeként egy LED-alapú világítási rendszer tervezése előtt a mérnököknek fontos megismerni a szabványokat és azt, hogy azok miként jelennek meg a valós csatlakozókban, mivel az új termékek száma gyorsan nő.
Ez a cikk röviden áttekinti, miért váltak annyira elterjedtté a LED-ek, majd bemutatja és leírja azt a két csatlakozási szabványt, amelyek biztosítják az interopera-bilitást, a gyors fejlesztést és az intelligens LED-alapú termékek egyszerű telepítését. Bemutatjuk az Amphenol ICC csatlakozóit és felhasználásukat a vonatkozó szabványokkal együtt, és azok alkalmazását valós környezetekben.

Miért olyan elterjedtek a LED-ek

A LED-ek mint fényforrások elterjedése számos tényezőnek köszönhető:

• Az alacsonyabb költségeknek köszönhetően az elérhető mennyiség nő, ami viszont még alacsonyabb költségeket és még nagyobb mennyiségeket eredményez;
• a LED-ek mint fényforrások alapvető megbízhatóságának és élettartamának növekedése;
• az áramkörök, elsősorban a LED-eket működtető tápegységek fejlődése;
• a LED-ek könnyebb vezérelhetősége intelligens vezérlésekkel és akár hálózatba kapcsolt I/O-kon keresztül;
• az optikai kimenet minőségének javulása, amelyet a színhőmérséklettel (Kelvin) és a színvisszaadási indexszel (CRI) jellemeznek;
• kormányzati ösztönzők, szabványok és rendelkezések a nagyobb hatásfokú világításhoz az energiatakarékosság érdekében (becslések szerint a teljes energiafelhasználás 15-20%-a világítási célú);
• olyan ipari és kormányzati szabványok kidolgozása, amelyek biztosítják a LED-alapú fényforrások közötti interopera-tibilitást, valamint az intelligens vezérlőkkel való kompatibilitást.

Az utolsó pont különösen fontos. A LED-ek és a fénycsövek által részben már kiszorítás alatt álló hagyományos izzók egyik fontos jellemzője az „E26”-os, 26 mm átmérőjű csavaros Edison-menet, amellyel az Egyesült Államokban és sok más országban is szinte minden háztartási létesítményben a leggyakrabban találkozhatunk (1. ábra). Vannak más méretek is, mint például az E12-es foglalat, de messze az E26-os a legelterjedtebb.

1. ábra Jelenleg a 26 mm-es E26-os Edison-foglalat a legelterjedtebb, bár vannak a különféle alkalmazási követelményeknek megfelelő kisebbek és nagyobbak is (Kép: LOHAS LED Ltd.)

Az egyetlen menettel és foglalattal történő szabványosítás természetesen csökkenti a költségeket. Ösztönzi továbbá az adott foglalatra épülő sokféle alakú, teljesítményszintű és egyéb tulajdonsággal rendelkező izzók elérhetőségét, miközben csökkenti a kiégett izzók hosszú távú cseréjével kapcsolatos aggályokat. A LED-es izzók korai generációinál az E26-os menetet használták a meglévő foglalatokkal való kompatibilitás érdekében, és hogy a felhasználók hozzászokjanak a LED-es világításhoz. Ezeket az E26-os LED-es izzókat továbbra is széles körben forgalmazzák, mivel sok millió ilyen foglalat van jelenleg használatban, és ez még sokáig így is marad.
A LED-ek azonban áram-, feszültség- (DC) és energiafogyasztás tekintetében meglehetősen különböznek az izzólámpáktól, amelyek általában 120/240 V-os váltakozó áramú hálózatról táplálkoznak. Az E26-os foglalatban továbbá a vezetékek gyakran viszonylag nagy csavaros kapcsokkal csatlakoznak, amelyek nem ideálisak a LED-alapú fényforrások táplálásához (2. ábra). Ahhoz tehát, hogy a LED-eknél a lehetőségek a rendszerek szintjétől egészen a fizikai kapcsolatokig teljes mértékben kiaknázhatók legyenek, új szabványokra és új típusú csatlakozókra van szükség.

2. ábra Az E26-os foglalat bekötéséhez szükséges nagy csavaros kapcsok akadályozzák a LED-alapú fényforrás lehető legjobb kihasználását (Kép: Family Handyman, Pinterest)

A Digital Illumination Interface Alliance (DiiA) felismerte egy modern világítási interfészszabvány szükségességét, és ezért kifejlesztette a DALI szabványt.

A DALI szabvány újradefiniálja a csatlakoztathatóságot
a világítástechnika terén

A DALI egy digitális világításvezérlésre szolgáló dedikált protokoll, amely robusztus, méretezhető és rugalmas világítási hálózatok telepítését teszi lehetővé (3. ábra). Az első változat, a DALI-1 inkább fénycsövek digitális vezérlésére, konfigurálására és lekérdezésére volt alkalmas, kevés figyelmet fordítva a LED-ekre. A meglévő egyszerű, egyirányú, parancstovábbítás-jellegű 0/1–10 V-os analóg vezérlési megoldásokat váltotta fel.

3. ábra A DALI szabvány első verziója egy olyan vezérlési alapot definiált, amely a párhuzamos AC hálózati tápvezetékekkel kapcsolta össze az összes elemet (Kép: Omnialed)

A szabvány egy parancstovábbítási opciót is tartalmaz, és egyszerű újrakonfigurálással az összes DALI készülékhez egyedi cím rendelhető, ami lehetővé teszi az egyes készülékek digitális vezérlését. Ezenfelül a DALI készülékek csoportos működésre is konfigurálhatók, ami által a világítási rendszer szoftverrel újrakonfigurálható, elkerülve a vezetékezés megváltoztatásának szükségességét.
A ma DALI-2 néven ismert szabvány kifejlesztése a felhasználói elvárások növekedésének és a LED-technológia folyamatos fejlesztésének köszönhető. A DALI-2 több csupán egy ipari szabványnál – az International Electrotechnical Commission szabványa is (IEC 62386). A számos új paranccsal és funkcióval együtt a DALI-2 jelentős bővülést hozott. Míg a DALI-1 csak vezérlési módokat tartalmazott, a DALI-2 a vezérlőket és a bemeneti eszközöket (pl. érzékelőket), illetve a busztápegységeket is lefedi. Különböző gyártók termékeinek együttműködési képességére összpontosít, és a DALI-2 tanúsító program támogatja a termékek specifikációkkal való kompatibilitásának igazolását (4. ábra).

4. ábra A DALI-2 szabvány jobban figyelembe veszi a LED-ek igényeit, mint a DALI-1, és új parancsokkal, illetve frissítésekkel is szolgál (Kép: DALI Alliance)

Mint minden átfogó szabvány, a DALI-2 is összetett. Röviden: egyetlen vezetékpár látja el a busz szerepét, és a DALI hálózat minden eszköze külön-külön megszólítható. A buszon keresztül történik a jeltovábbítás és a tápellátás is, olyan tápegységgel, amely (tipikusan) maximum 250 mA-t szolgáltat 16 V DC-n. A szabvány az AC hálózati és DC sínes táplálású készülékeket támogatja.
Miközben léteznek az extra alacsony feszültséget (ELV) rögzítő különféle szabványok, az IEC úgy határozza meg az ELV eszközt vagy áramkört, mint amelyben az elektromos vezető és a föld (test) közötti elektromos potenciál nem haladja meg az 50 V AC vagy 120 V DC értéket. A DALI vezérlőkábel ELV potenciálúnak minősül, ezért csak alapvetően kell szigetelni az AC hálózattól. Vezethető a hálózati kábel mellett vagy hálózati áramellátást is tartalmazó többerű kábelen belül.

A DALI-2-n túl: a lámpatestekről szóló Zhaga specifikációk

Az olyan szabványok, mint a DALI-2 fontosak, de korlátozottak. Nem terjednek ki annak meghatározására, hogy a szabvány konkrét alkalmazásoknál, például a LED-es világításnál és a lámpatesteknél hogyan alkalmazandó. Ennek a problémának a megoldására a nemzetközi Zhaga konzorcium ipari specifikációkat dolgozott ki a LED-es lámpatestekben használt komponensek interfészeire vonatkozóan. A konzorcium az IEEE ipari szabványügyi és technológiai szervezet tagprogramja, és 2019-es adatok szerint 120-nál több taggal rendelkezik.
Ezen a ponton tisztázni kell a különbséget a világítótest és a lámpatest között. A „lámpatest” kifejezést a világítástechnikai mérnökök társaságának (IES) világítási kézikönyve, ANSI/NEMA szabványok és az IEC használják. 2002-ben került be a villamos szerelési szabályzat (NEC) kézikönyvébe a következő formális definícióval: „komplett világító egység, amely fényforrást vagy fényforrásokat tartalmaz a fényeloszlást, a fényforrások pozicionálását és védelmét, illetve a tápellátáshoz való csatlakoztatását biztosító alkatrészekkel együtt.” A lámpatest tartalmazza a fényforrást és a fényeloszlást, a fényforrások pozicionálását és védelmét, illetve a tápellátáshoz való csatlakoztatását közvetlenül biztosító alkatrészeket, de nem tartalmazza a kiegészítő komponenseket, pl. karokat, feszítőelemeket vagy oszlopokat; a lámpatest biztosításához szükséges rögzítéseket; a vezérlő- és biztonsági készülékeket, illetve a tápellátás vezetékeit. A lámpatestek sokféle formában kaphatók és sokféle helyzetben használhatók a szigorúan funkcionális kültéri utcai világítástól a beltéri irodai, sőt a „divatos” bolti vagy otthoni világításig is.
A „világítótestet” az NEC nem határozza meg, és általában arra vonatkozik, amire a felhasználó gondol, és a következő elemek egy részét vagy mindegyikét tartalmazhatja: a fényforrást (izzót), esetleg a fényforrás védelmét, a búrát, a lencsét vagy diffúzort, a tartót, az oszlopot vagy a világítótest szerelvényét és egyebeket.
A hivatalosan könyveknek nevezett Zhaga specifikációk elektromos, mechanikai, optikai, termikus, kommunikációs interfészeket tárgyalnak, és lehetővé teszik az alkatrészek interoperabilitását. A Zhaga specifikációk betartásával a tervezők biztosíthatják, hogy a felhasználók egymással együtt használható, cserélhető vagy szervizelhető komponensekkel rendelkezzenek, illetve hogy a LED-es lámpatest telepítés után frissíthető legyen, amikor új technológia válik elérhetővé.
A 18. és 20. Zhaga könyv külön érdekes a LED-alapú lámpatestekkel dolgozó tervezők számára. Az előbbi a kültéri tervezésre, az utóbbi a beltéri alkalmazásokra összpontosít:

• 18. Zhaga könyv: „Intelligens interfész a kültéri lámpatestek és az érzékelő/kommunikációs modulok között”; az 1.0-s kiadásban meghatározott csatlakozási rendszer mechanikai illesztésén és elektromos kivezetésein kívül meghatározza az áramellátás és a kommunikáció szempontjait is. Egyszerűsíti az alkalmazási modulok, például érzékelők és kommunikációs csomópontok hozzáadását a LED-es lámpatestekhez, és biztosítja a plug-and-play interoperabilitást.
• 20. Zhaga könyv: „Intelligens interfész a beltéri lámpatestek és az érzékelő/kommunikációs modulok között”; meghatározza a beltéri LED-es lámpatest és az érzékelő/kommunikációs csomópont közötti intelligens interfészt. A csomópont a LED meghajtóhoz és a vezérlőrendszerhez csatlakozik és általában érzékelő bemeneteket tud biztosítani, vagy lehetővé tudja tenni a kommunikációt a hálózati alkatrészek között. A csomópontok telepítése és cseréje terepen, a helyszínen történhet.

Az áramkörök csatlakozókkal zárulnak

A szabványok természetesen kritikusak, és a kompatibilitás és az interoperabilitás a fizikai interfésszel és annak csatlakozójával kezdődik (5. ábra). A DALI specifikáció és a Zhaga szabványok használatát a nekik megfelelő (és őket túlteljesítő) csatlakozók széles választéka támogatja, amelyek ugyanakkor rugalmasságot biztosítanak a felhasználó számára a különböző alkalmazási esetekben történő működéshez.

5. ábra A DALI specifikáció és a Zhaga szabvány teljes csatlakozási megoldást biztosít a kábeleket és csatlakozókat illetően a tápellátás és az adatok számára az áramforrástól a világító LED-ig, különféle konfigurációkban (Kép: Amphenol ICC)

Beltéri használatra a 20. Zhaga könyv egy leválasztható illeszkedő interfészt definiál az épületek intelligens hálózatainak érzékelőihez. Az Amphenol ICC FLM sorozata megfelel a DALI szabványnak és lehetővé teszi a „plug and play” működést a beltéri LED-es lámpatestek és érzékelők vagy kommunikációs modulok számára. Sőt, a Zhaga konzorcium valójában az Amphenol FLM sorozatát választotta a 20. Zhaga könyvben szereplő szabványnak.
A 20. könyvben belefoglalt szabványt a gyakorlatban az Amphenol ICC FLM sorozat két kiegészítő tagja szemlélteti: az FLM-P21-00 kétérintkezős SSL dugaszolóaljzat-ház érintkezőtűs vezeték-vezeték csatlakozásokhoz, valamint az FLM-S21-00 kétérintkezős SSL dugaszház aljzaton keresztüli vezeték-vezeték csatlakozásokhoz. Más felületszerelt technológiájú (SMT) modellek derékszögű és függőleges változatokban is kaphatók a tervezési rugalmasság érdekében (6. ábra).

6. ábra Az FLM-P21-00 dugaszolóaljzat-ház és a hozzá illeszkedő FLM-S21-00 dugaszház alapvető SSL csatlakozók (Kép: Amphenol ICC)

A sorozat jellemzői többek között a következők:

• A megfelelő párosítást biztosító hibabiztos („poka yoke”) geometriával rendelkező elválasztható interfészek;
• szerszám nélküli bedugható vezeték-végződtetésű dugók;
• beépített, alacsony profilú, üreges retesz, amely a biztonságos párosításhoz minimum öt N tartóerőt, ugyanakkor könnyű szétválasztást is biztosít;
• orsós kiszerelésű dugók krimpelhető aljzatérintkezőkkel vagy dugaszolható vezetékvégződtetéssel a nagy sorozatú összeszereléshez vagy a könnyű terepi szereléshez/szervizeléshez.

Természetesen számos tervezett LED-es alkalmazásra nem olyan barátságos környezetben kerül sor, mint a szokásos beltéri elrendezések. Az ilyen alkalmazásokkal szembeni követelmények az FLH sorozat IP67-es védettségű (tömített és vízálló) vezeték-vezeték csatlakozóival elégíthetők ki, ideértve egy hárompólusú, négyszögletes, 2,50 mm osztású aljzatházat, az FLH-P31-00-t, és a hozzá illeszkedő FLH-S31-00 négyszögletes dugóházat (7. ábra). Ezek akár hatérintkezős változatokban is elérhetők.

7. ábra IP67-es besorolást igénylő LED-ek és más csatlakozások számára rendelkezésre áll az FLH sorozat a háromvezetékes négyszögletes FLH-P31-00 aljzatházzal (balra fent) és a hozzá illeszkedő FLH-S31-00, négyszögletes dugaszházzal (jobbra fent); 2, 3, 4 és 6 érintkezős változatok érhetők el (Kép: Amphenol ICC)

A sorozat csatlakozóinak tömített és vízálló kialakítása különösen jól hasznosítható zord környezetben, valamint a világítástechnika, a fűtés, szellőzés és légkondicionálás területén, az iparban és okosotthonokban is, mert kompakt kialakításuk a helytakarékos alkalmazások számára is előnyös. Az ezekben a csatlakozókban lévő érintkezők a huzalkeresztmetszetek és a megfelelő áramtartományok szerint vannak besorolva: 18 AWG méret 8 A esetén; 20 AWG méret 5 A esetén; a minimális méret pedig 22 AWG 3 A esetén.
A telepítés többet jelent csupán a tápcsatlakozók csatlakoztatásánál. A projekt teljességéhez az Amphenol más kulcsfontosságú alkatrészeket is kínál, ideértve az FLA-2141-30 jelű, egy ANSI C136-41 szabványnak megfelelő, közúti, utcai és parkolóhelyi lámpatestek fényerő-szabályozás céljából fotocellához való csatlakoztatására szolgáló aljzatot (8. ábra). Ezen a kétérintkezős változaton kívül érintkező nélküli és négyérintkezős változatok is kaphatók.

8. ábra Az ANSI szabványnak megfelelő FLA-2141-30 fényerő-szabályozási célú aljzat kapcsolatot teremt a felhasználó által biztosított fényerő-szabályozó és a lámpatest között. Felhasználási területe a rendelkezésre álló környezeti fénnyel vezérelt intelligens világítás (a négyérintkezős változat látható) (Kép: Amphenol ICC)

A fejlettebb érzékelési képesség beépítése érdekében egy FLB-P-alap használható a fotocella helyett. Ez lehetővé teszi különböző érzékelőkkel ellátott áramköri kártya hozzáadását számos egyéb funkció megvalósításához, például mozgásérzékeléshez, levegőminőség érzékeléséhez és hangfelismeréshez, majd a teljes szerelvény védhető egy FLB-C fedél alkalmazásával. Megjegyzés: ezeket nem beltéri használatra tervezték. Az Amphenol kínálatában ugyancsak szerepel az FLB-C70-501-001 fedél, amely az FLB-P-alapokkal való használatra tervezett NEMA ANSI C136.41 szabványú átlátszó, 76 mm átmérőjű, 130 mm magas burkolat.
Az FLA sorozatú fényerő-szabályozó aljzat ANSI C136.10 szabványú fotocellával vagy fedéllel (szakadás vagy zárlat) használható. További érzékelők beépítéséhez a tervezőknek a következőkre van szükségük:

• FLA aljzat;
• FLA alap;
• áramköri kártya érzékelőkkel;
• FLB-C védőfedél.

Végezetül, az FLS-SB80-02 lámpatest-bővítő modullal (80 mm) a fényerő-szabályozó szerelvény kiemelhető az FLS sorozatú aljzat fölé a fényerő-szabályozó és az érzékelő modulok csatlakoztatásához.

Összegzés

A LED-alapú világítás drámai módon átalakította mind a beltéri, mind a kültéri megvilágítást az ipari, a kereskedelmi és a háztartási környezetben is. Az energiatakarékosság, a hosszú élettartam és rugalmas lámpatest-konfigurációk szinte tökéletes kombinációját kínálja. A LED-es tervezés egyszerűsítése és felgyorsítása érdekében az Amphenol ICC különféle csatlakozócsaládjai megfelelnek a beltéri, a kültéri és az IP67 védettségi követelményeknek, ugyanakkor kielégítik a Zhaga ipari szabványok előírásait is, javítva ezáltal a rendszerek kompatibilitását és interoperabilitását.

További irodalom:

Amphenol LED világítástechnikai termékek – kereskedelmi és ipari világítás, beltérre és kültérre:

https://www.digikey.com/en/pdf/a/amphenol-icc/led-lighting-connectors-for-zhaga-book-20-standard-indoor-lighting

A 20. Zhaga könyvnek megfelelő FLM sorozatok | Adatlap előnézet:

https://www.digikey.com/en/videos/a/amphenol-icc/zhaga-book-20-compliant-flm-series--datasheet-preview

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
www.digikey.hu

Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central
Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.