Uusien perusliittimien ymmärtäminen ja käyttö ledipohjaisessa valaistuksessa sisä- ja ulkotiloissa

Valodiodit (ledit) ovat mullistaneet sisä- ja ulkovalaistuksen. Puolijohdevalaisinteknologian (SSL) tehokkuus, ohjattavuus, värispektri, terminen suorituskyky ja ainutlaatuiset muodot ovat auttaneet kunnioitettavan Edison-hehkulampun (kuten myös loiste-, monimetalli- ja natriumhöyrylamppujen) syrjäyttämisessä. Ledit ovat nykyään ensimmäinen harkittava vaihtoehto useimmissa uusissa sisä- ja ulkoratkaisuissa sekä olemassa olevien järjestelmien päivittämisessä. Suunnittelijoiden täytyy silti olla varovaisia. Nopea innovaatio tuo mukanaan sudenkuoppia, kuten ei-standardoidut liitännät ja yhteensopimattomat loppukäyttäjäratkaisut, jotka kaikki johtavat negatiiviseen asiakaskokemukseen.

Kyseessä ei ole ainoastaan valolähde, joka muuttuu radikaalisti. Ledipohjainen valaistus muuttaa myös esimerkiksi liitinten – jokaisen valaisinjärjestelmän välttämättömän osan – rakennetta ja muotoa sekä käytettäviä lamppuja (valaisimia). Näissä liittimissä ei siirretä AC-verkkojännitettä vaan jännitteeltään alhaisempi DC-tasavirta, joka on tyypillisesti 3 ampeerista (A) 7 ampeeriin. Lisäksi ledipohjainen valaisinjärjestelmä kuuluu usein DALI- (digitaalinen osoitteellinen valaistusrajapinta) ja Zhaga-teollisuusstandardeja tukevaan ohjausverkkoon ja mahdollistaa älykkään, energiaa säästävän ja erittäin tehokkaan valaistuksen älykodissa tai -toimistossa.

Tämän vuoksi suunnittelijoiden täytyy ennen ledipohjaisen valaisinjärjestelmän suunnittelun aloittamista perehtyä standardeihin ja siihen, miten ne heijastuvat reaalimaailman liittimiin, koska uusia malleja tulee markkinoille jatkuvasti.

Tässä artikkelissa tarkastellaan lyhyesti, miksi ledeistä on tullut niin yleisiä, ja sen jälkeen siinä kuvaillaan kahta liitäntästandardia, jotka mahdollistavat älykkäiden ledipohjaisten rakenteiden yhteentoimivuuden, nopean kehittämisen ja helpon toteuttamisen. Siinä esitellään Amphenol ICC -yrityksen liittimiä ja kuvaillaan niiden käyttöä asiaankuuluvien standardien mukaisissa reaalimaailman käyttömuodoissa ja -kohteissa.

Miksi ledeistä on tullut niin yleisiä

Ledien yleistyminen valolähteenä johtuu monista tekijöistä:

• Alhaisemmat kustannukset johtavat suurempiin volyymeihin, mikä puolestaan alentaa edelleen kustannuksia ja nostaa volyymejä entisestään.
• Parannukset ledien perusluotettavuudessa ja pitkäikäisyydessä valolähteinä.
• Parannukset piireissä, ennen kaikkea virtalähteissä, joilla ledejä ohjataan.
• Ledien helpompi ja parantunut ohjaus älyohjauksien ja jopa verkkoon liitettyjen I/O-linjojen kautta.
• Parannukset optisen lähdön laadussa värilämpötilalla (Kelvin) ja värintoistoindeksillä (CRI) kuvattuna.
• Valtiolliset kannustimet, standardit ja määräykset tehokkaammasta valaistuksesta energian säästämiseksi (arvioiden mukaan 15–20 % energian kokonaiskulutuksesta menee valaistukseen).
• Teollisuus- ja viranomaisstandardien kehittäminen, jolla taataan ledipohjaisten valolähteiden keskinäinen yhteentoimivuus samoin kuin yhteensopivuus älyohjaimien kanssa.

Viimeinen kohta on erityisen tärkeä. Yksi perinteisen hehkulampun tärkeistä ominaisuuksista, jota korvataan ledeillä ja vähemmissä määrin loisteputkilla, on lähes yleiskäyttöisen halkaisijaltaan 26 millimetrin (mm) kiinniruuvattavan Edison-kantaisen E26-polttimon käyttö asuinympäristössä Yhdysvalloissa ja monissa muissa maissa (kuva 1). On myös muita kokoja, kuten E12-kattokruunupolttimo, mutta E26 on ylivoimaisesti kaikkein käytetyin.

Kuva 1: 26 mm:n Edison-kanta E26 on ylivoimaisesti kaikkein käytetyin hehkulamppukanta, vaikka eri käyttövaatimuksiin on saatavilla pienempiä ja suurempia malleja. (Kuvan lähde: LOHAS LED Ltd.)

Standardisointi yhdellä kannalla ja pitimellä alentaa luonnollisesti kustannuksia. Se myös edistää monien poltinmuotojen, tehotasojen ja muiden tämän kannan ympärille luotujen ominaisuuksien saatavuutta ja vähentää palaneiden lamppujen pitkäaikaiseen saatavuuteen liittyviä huolia. Ledipolttimoiden varhaisissa sukupolvissa käytettiin E26-kantaa, jotta ne olisivat yhteensopivia olemassa olevien pidinten kanssa ja käyttäjät tottuisivat ledivalaistukseen. Näitä E26-kantaa käyttäviä ledipolttimoita on edelleen laajalti myynnissä, sillä tällaisia pitimiä on nykyään käytössä useita miljoonia, ja näin tulee olemaan hyvin pitkän aikaa.

Ledit kuitenkin eroavat virraltaan, jännitteeltään (DC) ja virrankulutukseltaan melko paljon hehkulampuista, jotka käyttävät tyypillisesti 120/240 V:n AC-verkkovirtaa. E26-pitimessä on myös usein suhteellisen suuret ruuviliittimet johtimia varten, jotka toimivat vähemmän ihanteellisesti ledivalolähteiden kanssa (kuva 2). Jotta ledien täyttä potentiaalia voitaisiin siten hyödyntää järjestelmätasolta fyysiseen liitäntään saakka, tarvitaan uusia standardeja ja liitintyyppejä.

Kuva 2: E26-kantaa käyttävän pitimen johdotukseen tarvittavat isot ruuviliittimet haittaavat ledivalolähteen optimaalista käyttöä. (Kuvan lähde: Family Handyman Pinterestin kautta)

Digital Illumination Interface Alliance (DiiA) tunnisti tarpeen nykyaikaiselle liitäntästandardille ja kehitti DALI-standardin.

DALI-standardi nykyaikaistaa valaistuksessa käytettävät liitokset

DALI on dedikoitu protokolla valaistuksen digitaaliseen ohjaukseen, ja se mahdollistaa kestävien, skaalattavissa olevien ja joustavien valaisinverkkojen asennuksen (kuva 3). Ensimmäinen versio DALI-1 sopi hyvin loisteputkien virranrajoittimien digitaaliseen ohjaukseen, konfigurointiin ja kyselyyn, mutta siinä ei paljon huomioitu ledejä. Se korvasi olemassa olevien 0/1–10 V:n analogisten ohjaustapojen yksinkertaisen, yksisuuntaisen, lähetystyyppisen toiminnan.

Kuva 3: DALI-standardissa määritellyn ohjausalustan ensimmäinen versio, joka linkitti kaikki sähkölaitteet rinnakkaisiin AC-virtajohtimiin. (Kuvan lähde: Omnialed)

Standardi sisältää myös yleislähetysvaihtoehdon, ja jokaiselle DALI-laitteelle voidaan yksinkertaisella uudelleenkonfiguroinnilla antaa oma osoite, mikä mahdollistaa yksittäisten laitteiden digitaalisen ohjauksen. Lisäksi DALI-laitteet voidaan myös ohjelmoida toimimaan ryhmissä, joten valaisinjärjestelmät voidaan konfiguroida uudelleen ohjelmistolla ja vältetään muutoksien tekeminen johdotukseen.

Käyttäjäodotusten kasvu yhdessä lediteknologian parannusten kanssa on edistänyt nykyisen DALI-2-standardin kehittämistä. DALI-2 on enemmän kuin pelkkä teollisuusstandardi – se on nyt myös International Electrotechnical Commissionin standardi (IEC 62386). DALI-2 tarjoaa paljon uusia komentoja ja ominaisuuksia. DALI-1 sisälsi vain ohjaustiloja, mutta DALI-2 kattaa ohjauslaitteet kuten sovellusohjaimet ja tulolaitteet (esim. sensorit) sekä väylien virtalähteet. Se keskittyy eri valmistajien tuotteiden väliseen yhteentoimivuuteen. Sitä tuetaan DALI-2-sertifiointiohjelmalla, jolla varmistetaan tuotteiden yhteensopivuus spesifikaatioiden kanssa (kuva 4).

Kuva 4: DALI-2-standardi ottaa ledien tarpeet paremmin huomioon kuin DALI-1 ja tarjoaa myös uusia komentoja ja päivityksiä. (Kuvan lähde: DALI Alliance)

Kuten kaikki monipuoliset standardit, myös DALI-2 on monimutkainen. Lyhyesti sanottuna yksi ainut johdinpari toimii väylänä, ja jokaista DALI-verkkoon kuuluvaa laitetta voidaan ohjata erikseen. Väylää käytetään sekä signaaleita että virransyöttöä varten. Väylässä voidaan käyttää virtalähdettä, joka syöttää jopa 250 milliampeeria (mA) 16 voltin DC-jännitteellä (tyypillinen). Standardi tukee sekä AC-verkkovirtaa että DC-jännitettä käyttäviä laitteita.

Vaikka on olemassa erilaisia pienjännitettä (ELV) määritteleviä standardeja, IEC määrittelee ELV-laitteen tai -piirin sellaiseksi, jossa sähköjohtimen ja maan (maadoituksen) välinen sähköpotentiaali ei ylitä 50 voltin AC-jännitettä eikä 120 voltin DC-jännitettä. DALI-ohjauskaapeli luokitellaan ELV-potentiaaliksi, ja se tarvitsee siten vain peruseristyksen AC-verkkovirrasta. Sitä voidaan käyttää näiden verkkovirtajohtojen vieressä tai verkkovirtajohtimen sisältävässä monisäiekaapelissa.

DALI-2:n jälkeen: Valaisimille tarkoitettu Zhaga-spesifikaatio

Standardit kuten DALI-2 ovat tärkeitä, mutta niilläkin on rajansa. Niiden päätarkoituksena ei ole määritellä, miten standardia sovelletaan erityissovelluksissa, kuten ledivaloissa ja -valaisimissa. Kansainvälinen Zhaga Consortium on ratkaissut tämän ongelman laatimalla ledivalaisimissa käytettävien komponenttien liitännöille teollisuusspesifikaatiot. Konsortio on IEEE:n teollisuusstandardi- ja teknologiaorganisaation (ISTO) jäsenohjelma, johon on vuodesta 2019 alkaen kuulunut yli 120 jäsentä.

Nyt on vihdoin aika selvittää lampun ja valaisimen ero. Termiä ”valaisin” on käytetty Illuminating Engineering Societyn (IES) valaisinkäsikirjassa, ANSI/NEMA-standardeissa ja IEC:ssä. Se lisättiin National Electrical Coden (NEC) käsikirjaan vuonna 2002 seuraavan muodollisen määritelmän kera: ”täydellinen valaisinyksikkö, joka koostuu lampusta tai lampuista sekä muista osista, joiden tehtävänä on jakaa valoa, kohdistaa lamput ja suojata niitä ja yhdistää lamput virtalähteeseen”. Valaisin sisältää lampun ja kaikki suoraan valoyksikön jakeluun, kohdistukseen ja suojaukseen liittyvät osat eikä se erityisesti sisällä tukikomponentteja, kuten vartta, tukivartta tai pylvästä, kiinnittimiä valaisimen kiinnittämiseen, ohjaus- tai turvalaitteita eikä virtalähteen johtimia. Valaisimia on monen muotoisia ja niitä on saatavilla monenlaisiin tilanteisiin pelkästä toiminnallisesta kadun ulkovalaistuksesta toimiston sisävalaistukseen ja ”trendikkääseen” vähittäismyymälän tai kodin valaistukseen.

”Lamppua” ei ole määritelty NEC:ssä ja se viittaa yleisesti mihin tahansa, mitä käyttäjällä on mielessä ja voi sisältää jonkin tai kaikki seuraavista elementeistä: lamppu (polttimo), kenties lampun suojus, valaisinkupu, linssi tai diffuusori, tuki, pylväs tai lampunkiinnitin ja muita elementtejä.

Zhaga-spesifikaatiot, joita kutsutaan virallisesti kirjoiksi (Book), käsittelevät sähköisiä, mekaanisia, optisia, termisiä ja kommunikointiliitäntöjä, jotka mahdollistavat komponenttien toimimisen yhdessä. Suunnittelijat voivat Zhaga-spesifikaatioita noudattamalla varmistaa, että käyttäjät saavat yhteentoimivat ja vaihdettavissa tai huollettavissa olevat komponentit ja että ledivalaisin voidaan päivittää asennuksen jälkeen, kun saataville tulee uutta teknologiaa.

Zhaga Book 18 ja Book 20 ovat erityisen kiinnostavia ledipohjaisten valaisimien parissa työskenteleville suunnittelijoille. Edellinen keskittyy ulkosuunnitteluun, kun taas jälkimmäinen sisäsovelluksiin:

• Zhaga Book 18: ”Ulkovalaisinten ja tunnistus-/kommunikointimoduulien välinen älyliitäntä” määrittelee virta- ja kommunikointiominaisuudet liitäntäjärjestelmän mekaanisen yhteensopivuuden ja sähkönastojen ohella version 1.0 mukaisesti. Se helpottaa sellaisten sovellusmoduulien kuten sensori- ja kommunikointisolmujen lisäämistä LED-valaisimiin ja takaa plug-and-play-yhteenkäytettävyyden.
• Zhaga Book 20: ”Sisävalaisinten ja tunnistus-/kommunikointimoduulien välinen älyliitäntä” määrittelee ledisisävalaisimen ja tunnistus-/kommunikointisolmun välisen älyliitännän. Solmu yhdistetään LED-ohjaimeen ja ohjausjärjestelmään, ja se voi tyypillisesti tarjota anturituloja tai mahdollistaa verkkokomponenttien välisen kommunikaation. Solmuja voidaan asentaa ja vaihtaa kentällä.

Liittimet täydentävät piirin

Standardit ovat tietenkin erittäin tärkeitä ja yhteensopivuus ja -toimivuus alkavat fyysisestä liitännästä ja liittimestä (kuva 5). DALI-spesifikaation ja Zhaga-standardien käyttöä on tukemassa laaja liitinvalikoima, joka täyttää (ja ylittää) niiden vaatimukset ja tarjoaa käyttäjälle joustavuutta erilaisiin käyttöolosuhteisiin.

Kuva 5: DALI-spesifikaatio ja Zhaga-standardi tarjoavat täydellisen liitäntäpolun (kaapelit ja liittimet) sekä virtalähteen syöttämälle teholle että datalle ledien valaisua varten erilaisissa konfiguraatioissa. (Kuvan lähde: Amphenol ICC)

Zhaga Book 20 määrittelee sisäkäyttöön irrotettavissa olevan liitosrajapinnan älykkäiden rakennusverkkojen sensoreita varten. Amphenol ICC:n FLM-sarja noudattaa DALI-standardia ja mahdollistaa plug-and-play-käytettävyyden ledisisävalaisimille ja sensoreille tai kommunikointimoduuleille. Itseasiassa Zhaga Consortium valitsi Amphenolin FLM-sarjan Zhaga Book 20 -standardiksi.

Kaksi Amphenol ICC:n FLM-sarjan komplementaarista liitintä kuvaavat Book 20 -standardia käytännössä: FLM-P21-00, kaksi kosketinta sisältävä SSL-naarasliitinkotelo liitäntöihin kaapelista/johtimesta kaapeliin/johtimeen tappikontaktilla, ja FLM-S21-00, kaksi kosketinta sisältävä SSL-urosliitinkotelo liitäntöihin kaapelista/johtimesta kaapeliin/johtimeen naarasliitinkontaktilla. Muut pintaliitosmallit (SMT) sisältävät suorakulmaisen ja vertikaalisen vaihtoehdon, mikä parantaa suunnittelun joustavuutta (kuva 6).

Kuva 6: FLM-P21-00-naarasliitinkotelo ja siihen sopiva FLM-S21-00-urosliitinkotelo ovat kaksijohtoisia SSL-perusliittimiä. (Kuvan lähde: Amphenol ICC)

Tämän sarjan ominaisuuksiin kuuluvat:

• ”Poka yoke” -geometriaa (tarkoittaa ”idioottivarmaa” tai ”erehdysvarmaa”) käyttävät irrotettavat liittimet. Geometria takaa että liittimet kohdistetaan oikein.
• Saatavana urosliitin työkalutonta terminointia varten
• Sisältää matalaprofiilisen Dimple-Latch-ominaisuuden, joka tarjoaa liitäntäparin kiinnitykselle vähintään viiden newtonin pitovoiman mutta silti helpon irrotuksen
• Urosliitin on saatavana kelalla, mikä mahdollistaa korkean volyymin kokoonpanon sekä helpon kenttäasennuksen/-huollon. Vaihtoehtoina ovat puristettava naaraskosketin ja sisääntyönnettävä johtimen terminointi.

Monet suunniteltavat ledisovellukset eivät kuitenkaan ole niin helppoja kuin tavallinen sisäkäyttö. Tällaisten sovellusten vaatimukset voidaan tyydyttää FLH-sarjan IP67-luokituksen (tiivistetty ja vedenkestävä) mukaisilla johdosta-johtoon-liittimillä sekä FLH-P31-00-liittimellä (suorakulmainen naaraskoteloliitin kolmella koskettimella, jako 2,50 mm) ja siihen sopivalla FLH-S31-00-liittimellä (suorakulmainen uroskoteloliitin) (kuva 7). Saatavilla on myös malleja, joissa on jopa kuusi kosketinta.

Kuva 7: FLH-sarja tarjoaa ledeille ja muille IP67-luokitusta vaativille liitinsovelluksille kolmijohtoisen, suorakulmaisen FLH-P31-00-naaraskoteloliittimen (ylävasemmalla) ja siihen sopivan LH-S31-00-uroskoteloliittimen (yläoikealla). Saatavana on myös 2-, 3-, 4- ja 6-nastaiset versiot. (Kuvan lähde: Amphenol ICC)

Tämän sarjan liittimet soveltuvat tiivistyksen ja vedenpitävyyden ansiosta erityisen hyvin ankariin olosuhteisiin, ja niitä voidaan käyttää valaistus- sekä LVI-, teollisuus- ja älykotisovelluksissa. Niiden kompaktista rakenteesta on hyötyä, kun tarvitaan tilansäästöä. Näiden liitinten koskettimet on luokitettu erikokoisille johdoille ja vastaaville virroille: 18 AWG (American Wire Gauge) virralle 8 A; 20 AWG virralle 5 A ja 22 AWG virralle 3 A.

Järjestelmään kuuluu muutakin kuin vain virtaliittimet. Amphenol tarjoaa suunnitteluprojektin viimeistelyyn muita tärkeitä komponentteja, kuten FLA-2141-30. Se on ANSI C136-41 -yhteensopiva naarasliitin, jolla ulkovalaisimet liitetään tie-, katu- ja pysäköintialuesovelluksissa valokennoon himmennystoimintoa varten (kuva 8). Tämän kaksikosketinversion lisäksi on olemassa malleja, joissa ei ole yhtään kosketinta tai jotka sisältävät neljä kosketinta.

Kuva 8: ANSI-yhteensopiva naarasliitin FLA-2141-30 mahdollistaa liitännän käyttäjän hankkiman himmentimen ja valaisimen välille. Se on tarkoitettu ympäristön valon mukaan säätyvään älykkääseen valaistukseen (kuvassa on neljän koskettimen versio). (Kuvan lähde: Amphenol ICC)

FLB-P-kanta voidaan sijoittaa valokennon tilalle haluttaessa monipuolisempaa anturin integrointia. Tämän avulla voidaan lisätä antureita sisältävä piirikortti, joka tarjoaa sellaisia lisätoimintoja kuten liikkeentunnistus, ilmanlaadun mittaus ja äänen tunnistus. Valmis kokoonpano voidaan sitten suojata lisäämällä FLB-C-kupukansi. Huomautus: Näitä ei ole tarkoitettu sisäkäyttöön. Amphenol tarjoaa myös FLB-C70-501-001-kuvun, joka on läpikuultava NEMA ANSI C136.41 -standardin mukainen suojus ja jonka halkaisija on 76 mm ja korkeus 130 mm ja joka on tarkoitettu käytettäväksi FLB-P-kantojen kanssa.

FLA-sarjan naarasliittimiä himmennyksellä voidaan käyttää ANSI C136.10 -yhteensopivan valokennon tai kannen (avoin virtapiiri tai oikosulku) kanssa. Integroidakseen lisää antureita suunnittelijat tarvitsevat:

• FLA-naarasliittimen
• FLB-P-kannan
• antureita sisältävän piirikortin
• FLB-C-suojakuvun.

FLS-SB80-02-valaisinlaajennusmoduuli (80 mm) mahdollistaa himmennyskokoonpanon nostamisen FLA-sarjan liittimen yläpuolelle himmennys- ja anturimoduulien liitäntää varten.

Yhteenveto

Ledipohjainen valaistus on muuttanut radikaalisti sisä- ja ulkovalaistusta teollisuus-, kaupallisessa ja asuinympäristössä. Se tarjoaa lähes täydellisen yhdistelmän energiatehokkuutta, pitkäikäisyyttä ja joustavuutta valaisinkonfiguraatioihin. Ledisuunnittelun helpottamiseksi ja nopeuttamiseksi erilaiset Amphenol ICC -liitinvalikoimat täyttävät sisä-, ulko- ja IP67-vaatimukset sekä Zhaga-teollisuusstandardit ja parantavat näin järjestelmien yhteensopivuutta ja -käytettävyyttä.

Muuta lukemista:

1. Amphenolin ledivalaistustuotteet: Kaupallinen ja teollinen valaistus sisä- ja ulkotiloihin
2. Zhaga Book 20 -yhteensopiva FLM-sarja | katsaus teknisiin tietoihin