Verstehen und Anwenden der neuen Standard-Steckverbinder für LED-basierte Beleuchtung im Innen- und Außenbereich

Licht emittierende Dioden (LEDs) haben die Innen- und Außenbeleuchtung revolutioniert. Die Effizienz, die Steuerbarkeit, das Farbspektrum, die thermische Leistung und die einzigartigen Formfaktoren dieser Halbleiterbeleuchtungstechnologie (SSL-Technologie) haben dazu beigetragen, die altehrwürdige Edison-Glühbirne zu verdrängen (ebenso wie die Leuchtstoff-, Metallhalogenid- oder Natriumdampflampen). Bei den meisten Neukonstruktionen im Innen- und Außenbereich sowie bei der Aufrüstung bestehender Anlagen werden heute LEDs als erste Wahl angesehen. Dennoch müssen Entwickler vorsichtig sein. Mit der schnellen Innovation kommen auch Fallstricke wie nicht standardisierte Verbindungen und unpassende Endbenutzerlösungen, die alle zu einer negativen Kundenerfahrung beitragen.

Es ist nicht nur die Lichtquelle selbst, die sich radikal verändert. Zum Beispiel verändert die LED-basierte Beleuchtung auch das Design und den Formfaktor der Steckverbinder - ein notwendiger Bestandteil jedes Beleuchtungssystems - sowie der Leuchten, die sie tragen. Diese Steckverbinder führen keine Netzwechselspannung, sondern eine niedrigere Gleichspannung mit Strömen von typischerweise 3 Ampere (A) bis 7 A. Darüber hinaus ist ein LED-basiertes Beleuchtungssystem oft Teil eines Steuerungsnetzwerks, das die Industriestandards DALI (Digital Addressable Lighting Interface) und Zhaga unterstützt, was eine intelligente, energiesparende und leistungsstarke Beleuchtung als Teil eines intelligenten Hauses oder Büros ermöglicht.

Bevor man mit der Entwicklung eines LED-basierten Beleuchtungssystems fortfährt, sollten sich die Ingenieure daher mit den Standards vertraut machen und wissen, wie sie sich in realen Steckverbindern widerspiegeln, da neue Designs schnell entstehen.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick darüber, warum LEDs so allgegenwärtig geworden sind. Anschließend werden die beiden Verbindungsstandards vorgestellt und beschrieben, die die Interoperabilität, die schnelle Entwicklung und den einfachen Einsatz von intelligenten LED-basierten Designs gewährleisten. Steckverbinder von Amphenol ICC werden vorgestellt und ihre Verwendung wird als reale Verkörperung der relevanten Normen und deren Anwendung skizziert.

Warum LEDs so allgegenwärtig sind

Das Wachstum von LEDs als Lichtquelle ist auf viele Faktoren zurückzuführen:

• Niedrigere Kosten führen zu höheren Produktmengen, was wiederum zu noch niedrigeren Kosten und immer höheren Produktmengen führt
• Verbesserung der grundsätzlichen Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von LEDs als Lichtquelle
• Verbesserungen in der Schaltung, vor allem in den Stromversorgungen, die diese LEDs ansteuern
• Vereinfachte Ansteuerung von LEDs über intelligente Steuerungen und sogar vernetzte I/O
• Verbesserungen in der Qualität der optischen Ausgabe, die durch Farbtemperatur (Kelvin) und Farbwiedergabeindex (CRI) gekennzeichnet ist
• Staatliche Anreize, Normen und Vorschriften für eine effizientere Beleuchtung, um Energie zu sparen (Schätzungen zufolge entfallen zwischen 15 und 20 % des gesamten Energieverbrauchs auf die Beleuchtung)
• Entwicklung von Industrie- und Regierungsstandards, die sowohl die Interoperabilität zwischen LED-basierten Lichtquellen als auch die Kompatibilität mit intelligenten Steuerungen sicherstellen

Der letzte Punkt ist besonders wichtig. Eines der wichtigsten Merkmale der traditionellen Glühbirne, die in geringerem Maße von LEDs und Leuchtstofflampen verdrängt wird, ist die nahezu universelle Verwendung der „E26“-Glühbirne mit 26 Millimeter (mm) Durchmesser und Edison-Schraubsockel in Wohnräumen in den Vereinigten Staaten und vielen anderen Ländern (Abbildung 1). Es gibt noch andere Größen wie z. B. die E12-Kandelaber, aber die E26 ist bei weitem die am häufigsten verwendete.

Abbildung 1: Der 26mm-Edison-Sockel E26 ist der bei weitem am häufigsten verwendete Lampenkolbensockel, obwohl es einige kleinere und größere gibt, um verschiedene Anwendungsanforderungen zu erfüllen. (Bildquelle: LOHAS LED Ltd.)

Die Standardisierung mit einem einzigen Sockel und einer einzigen Fassung senkt natürlich die Kosten. Es fördert auch die Verfügbarkeit vieler Glühlampenformen, Leistungsstufen und anderer Attribute, die um diesen Sockel herum aufgebaut sind, während gleichzeitig die Bedenken über den langfristigen Austausch von durchgebrannten Glühlampen reduziert werden. Frühe Generationen von LED-Glühbirnen verwendeten den E26-Sockel für die Kompatibilität mit bestehenden Fassungen, um die Benutzer an die LED-Beleuchtung zu gewöhnen. Diese E26-LED-Glühbirnen werden nach wie vor sehr häufig verkauft, da es unzählige Millionen solcher Fassungen gibt, und das wird auch noch sehr lange so bleiben.

Allerdings unterscheiden sich LEDs in Bezug auf Strom, Spannung (DC) und Leistungsaufnahme deutlich von Glühlampen, die typischerweise mit 120/240 Volt AC betrieben werden. Außerdem hat die E26-Fassung oft relativ große Schraubklemmen für ihre Drähte, die für die Versorgung von LED-basierten Quellen nicht ideal sind (Abbildung 2). Damit LEDs ihr Potenzial von der Systemebene bis hinunter zum physikalischen Anschluss voll ausschöpfen können, sind also neue Standards und Steckertypen erforderlich.

Abbildung 2: Die großen Schraubklemmen, die für die Verdrahtung einer E26-Fassung erforderlich sind, beeinträchtigen die optimale Nutzung der LED-basierten Lichtquelle. (Bildquelle: Familienhandwerker via Pinterest)

Die DiiA (Digital Illumination Interface Alliance) erkannte den Bedarf an einem modernen Beleuchtungsschnittstellenstandard und entwickelte den DALI-Standard.

Der DALI-Standard definiert das Beleuchtungsnetzwerk neu

DALI ist ein spezielles Protokoll für die digitale Beleuchtungssteuerung, das die einfache Installation von robusten, skalierbaren und flexiblen Beleuchtungsnetzwerken ermöglicht (Abbildung 3). Die erste Version, DALI-1, war besser für die digitale Steuerung, Konfiguration und Abfrage von Leuchtstoffvorschaltgeräten geeignet und nahm wenig Rücksicht auf LEDs. Es ersetzte den einfachen, einseitigen, rundfunkähnlichen Betrieb bestehender analoger 0/1- bis 10-Volt-Steuerungsansätze.

Abbildung 3: Die erste Version des DALI-Standards definierte eine Steuerbasis, die alle Geräte, die über die parallelen AC-Hauptstromleitungen versorgt werden, miteinander verbindet. (Bildquelle: Omnialed)

Der Standard beinhaltet auch eine Broadcast-Option, und mit einer einfachen Umkonfiguration kann jedem DALI-Gerät eine eigene Adresse zugewiesen werden, was die digitale Steuerung einzelner Geräte ermöglicht. Darüber hinaus können DALI-Geräte so programmiert werden, dass sie in Gruppen arbeiten, so dass die Beleuchtungssysteme per Software neu konfiguriert werden können, wodurch eine Änderung der Verdrahtung vermieden werden kann.

Das Wachstum der Benutzererwartungen zusammen mit Verbesserungen in der LED-Technologie hat die Entwicklung des heutigen DALI-2-Standards gefördert. DALI-2 ist mehr als ein Industriestandard - es ist jetzt auch ein Standard der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC 62386). DALI-2 fügt viele neue Befehle und Funktionen hinzu. Während DALI-1 nur Steuermodi beinhaltete, umfasst DALI-2 Steuergeräte wie Applikationscontroller und Eingangsgeräte (z. B. Sensoren) sowie Busnetzteile. Es konzentriert sich auf die Interoperabilität von Produkten verschiedener Hersteller und wird durch das DALI-2-Zertifizierungsprogramm unterstützt, um die Produktkompatibilität mit den Spezifikationen zu bestätigen (Bild 4).

Abbildung 4: Der DALI-2-Standard berücksichtigt die Bedürfnisse von LEDs stärker als DALI-1 und fügt auch neue Befehle und Updates hinzu. (Bildquelle: DALI Alliance)

Wie bei allen umfassenden Standards ist auch DALI-2 kompliziert. Kurz gesagt, ein einzelnes Adernpaar fungiert als Bus, und jedes Gerät in einem DALI-Netzwerk kann individuell angesprochen werden. Der Bus wird sowohl für Signale als auch für die Stromversorgung verwendet und wird von einer Stromversorgung unterstützt, die bis zu 250 Milliampere (mA) bei 16 Volt DC (typisch) liefert. Der Standard unterstützt Geräte, die über die AC-Leitung oder eine DC-Schiene versorgt werden.

Während es verschiedene Normen gibt, die Kleinspannung (ELV) definieren, definiert die IEC ein ELV-Gerät oder einen ELV-Stromkreis als ein Gerät oder einen Stromkreis, bei dem das elektrische Potential zwischen elektrischem Leiter und Erde (Masse) 50 Volt AC oder 120 Volt DC nicht überschreitet. Die DALI-Steuerleitung ist als ELV-Potenzial eingestuft und benötigt daher nur eine Basisisolierung vom Wechselstromnetz; sie kann neben diesem Netz oder innerhalb eines mehradrigen Kabels, das Netzstrom enthält, verlegt werden.

Über DALI-2 hinaus: Zhaga-Spezifikation zielt auf Leuchten

Standards wie DALI-2 sind wichtig, können aber nur einen beschränkten Bereich abdecken. Es liegt nicht in ihrem Zuständigkeitsbereich zu definieren, wie die Norm mit bestimmten Anwendungen, wie z. B. LED-Beleuchtung und anderen Leuchten, verknüpft werden soll. Um dieses Problem zu lösen, hat das internationale Zhaga-Konsortium Industriespezifikationen von Schnittstellen für Komponenten, die in LED-Leuchten verwendet werden, festgelegt. Das Konsortium ist ein Mitgliedsprogramm der IEEE Industry Standards and Technology Organization und hat seit 2019 mehr als 120 Mitglieder.

Jetzt ist ein guter Zeitpunkt, um den Unterschied zwischen einer Fassung und einer Leuchte deutlich zu machen. Der Begriff „Leuchte“ wird vom Illuminating Engineering Society (IES) Lighting Handbook, den ANSI/NEMA-Normen und der IEC verwendet. Er wurde 2002 in das Handbuch des National Electrical Code (NEC) aufgenommen, mit einer formalen Definition als „eine komplette Beleuchtungseinheit, die aus einer Lampe oder Lampen zusammen mit den Teilen besteht, die dazu dienen, das Licht zu verteilen, die Lampen zu positionieren und zu schützen und die Lampen mit der Stromversorgung zu verbinden“. Eine Leuchte umfasst die Lampe und alle Komponenten, die direkt mit der Verteilung, der Positionierung und dem Schutz der Lichteinheit verbunden sind, und umfasst insbesondere keine Trägerkomponenten, wie z. B. einen Arm, eine Sehne oder einen Mast; die zur Befestigung der Leuchte verwendeten Befestigungselemente; Steuer- oder Sicherheitsvorrichtungen oder Stromversorgungsleiter. Leuchten gibt es in vielen Formen und für die unterschiedlichsten Situationen, von der rein funktionalen Straßenbeleuchtung im Außenbereich über die Bürobeleuchtung im Innenbereich bis hin zur „trendigen“ Einzelhandels- oder Heimbeleuchtung.

Die „Fassung“ ist im NEC nicht definiert und bezieht sich im Allgemeinen auf das, was der Benutzer im Sinn hat, und kann einige oder alle der folgenden Elemente umfassen: die Lampe (Glühbirne), vielleicht mit dem Lampenschutz, die Kuppel, die Linse oder der Diffusor, die Halterung, der Mast oder die Befestigungsvorrichtung und andere Elemente.

Die Zhaga-Spezifikationen, die formal als Books bezeichnet werden, adressieren elektrische, mechanische, optische, thermische und Kommunikationsschnittstellen und ermöglichen die Interoperabilität von Komponenten. Durch die Einhaltung der Zhaga-Spezifikationen können Entwickler sicherstellen, dass Benutzer Komponenten haben, die interoperabel sind und ausgetauscht oder gewartet werden können, und dass eine LED-Leuchte nach der Installation aufgerüstet werden kann, wenn neue Technologie verfügbar wird.

Zhaga Book 18 und Book 20 sind besonders für Entwickler interessant, die mit LED-basierten Leuchten arbeiten; ersteres konzentriert sich auf das Design im Außenbereich, während letzteres für Innenanwendungen gedacht ist:

• Zhaga Book 18: „Intelligente Schnittstelle zwischen Außenleuchten und Sensor-/Kommunikationsmodulen“ spezifiziert Energie- und Kommunikationsaspekte, zusätzlich zur mechanischen Passung und den elektrischen Pins für ein Verbindungssystem wie in Ausgabe 1.0 definiert. Es vereinfacht das Hinzufügen von Anwendungsmodulen wie Sensoren und Kommunikationsknoten zu LED-Leuchten und stellt die Plug&Play-Interoperabilität sicher.
• Zhaga Book 20: „Intelligente Schnittstelle zwischen Innenleuchten und Sensor-/Kommunikationsmodulen“ definiert eine intelligente Schnittstelle zwischen einer LED-Innenleuchte und einem Sensor-/Kommunikationsknoten. Der Knoten wird mit dem LED-Treiber und dem Steuersystem verbunden und kann typischerweise sensorische Eingänge bereitstellen oder die Kommunikation zwischen Netzwerkkomponenten ermöglichen. Knoten können im Feld installiert und ausgetauscht werden.

Steckverbinder schließen den Kreis

Standards sind natürlich entscheidend, und Kompatibilität und Interoperabilität beginnen mit der physikalischen Schnittstelle und ihrem Anschluss (Abbildung 5). Die Verwendung der DALI-Spezifikation und des Zhaga-Standards wird durch eine große Auswahl an Steckverbindern unterstützt, die deren Anforderungen erfüllen (und übertreffen) und gleichzeitig dem Benutzer Flexibilität für den Betrieb in verschiedenen Szenarien bieten.

Abbildung 5: Die DALI-Spezifikation und der Zhaga-Standard bieten einen kompletten Kabel- und Steckverbinder-Verbindungspfad für Strom und Daten von der Stromquelle zur leuchtenden LED in einer Vielzahl von Konfigurationen. (Bildquelle: Amphenol ICC)

Für den Innenbereich definiert das Zhaga Book 20 eine trennbare Steckverbindung für Sensoren in intelligenten Gebäudenetzwerken. Die FLM-Serie von Amphenol ICC entspricht dem DALI-Standard und ermöglicht eine „Plug&Play“-Betriebsfähigkeit für LED-Innenleuchten und Sensoren oder Kommunikationsmodule. Tatsächlich hat das Zhaga-Konsortium die FLM-Serie von Amphenol als Standard für das Zhaga Book 20 ausgewählt.

Zwei komplementäre Mitglieder der FLM-Serie von Amphenol ICC veranschaulichen den Book-20-Standard in der Praxis: das SSL-Zweikontakt-Buchsengehäuse FLM-P21-00 für Stiftkontakt-Kabel/Draht-Kabel/Draht-Verbindungen und das Zweikontakt-SSL-Steckergehäuse FLM-S21-00 für Buchsenkontakt-Kabel/Draht-Kabel/Draht. Andere Modelle für die Oberflächenmontage (SMT) bieten rechtwinklige und vertikale Konfigurationen für eine flexible Gestaltung (Abbildung 6).

Abbildung 6: Das Buchsengehäuse FLM-P21-00 und das dazugehörige Steckergehäuse FLM-S21-00 sind einfache zweiadrige SSL-Steckverbinder. (Bildquelle: Amphenol ICC)

Zu den Merkmalen dieser Serie gehören:

• Trennbare Schnittstellen mit einer „Poka-Yoke“-Geometrie (bedeutet „narrensicher“ oder „fehlersicher“), die eine korrekte Ausrichtung der Steckverbindung gewährleistet
• Ein verfügbarer Stecker mit werkzeuglosem Steckanschluss
• Eine integrierte, flache Noppenverriegelung, die eine Mindesthaltekraft von fünf Newton für ein sicheres Stecken und dennoch einfaches Trennen bietet
• Ein Stecker, der auf Bandrollen mit Crimp-Buchsenkontakten oder Drahtsteckoptionen erhältlich ist, um die Massenfertigung oder eine einfache Montage/Wartung vor Ort zu ermöglichen

Natürlich sind viele vorgesehene LED-Anwendungen nicht so harmlos wie gewöhnliche Innenanwendungen. Die Anforderungen solcher Anwendungen können mit den Draht-zu-Draht-Steckverbindern der FLH-Serie mit IP67-Klassifizierung (abgedichtet und wasserdicht) erfüllt werden. Dazu gehören der FLH-P31-00 - eine dreipolige rechteckige Steckbuchse mit einem Raster von 2,50 mm - und dem entsprechenden rechteckigen Stecker FLH-S31-00 (Abbildung 7); es werden auch Versionen mit bis zu sechs Kontakten angeboten.

Abbildung 7: Für LEDs und andere Steckverbinderanwendungen, die eine Schutzart von IP67 erfordern, sind die FLH-Serie mit der dreiadrigen Steckbuchse FLH-P31-00 (oben links) und dem passenden rechteckigen Stecker FLH-S31-00 (oben rechts) sowie 2-, 3-, 4- und 6-polige Versionen erhältlich. (Bildquelle: Amphenol ICC)

Die abgedichteten und wasserdichten Steckverbinder dieser Serie eignen sich besonders gut für raue Umgebungen. Sie können sowohl für die Beleuchtung als auch für HLK-, Industrie- und Smart-Home-Situationen eingesetzt werden, während ihre kompakte Bauweise auch für platzsparende Anwendungen von Vorteil ist. Die Kontakte in diesen Steckverbindern sind für eine Reihe von Drahtstärken und entsprechenden Strömen ausgelegt: 18 AWG (American Wire Gauge) für 8 A; 20 AWG für 5 A; bis zu 22 AWG für 3 A.

Zu einer Installation gehört natürlich mehr als nur die Stromanschlüsse. Zur Vervollständigung des Designprojekts bietet Amphenol weitere Schlüsselkomponenten an, darunter die FLA-2141-30, eine ANSI C136-41-konforme Steckbuchse, die zum Anschluss einer Außenleuchte in Straßen- und Parkplatzanwendungen an eine Fotozelle für Dimmfunktionen verwendet wird (Abbildung 8). Neben dieser Version mit zwei Kontakten gibt es auch Versionen ohne Kontakte und mit vier Kontakten.

Abbildung 8: Die ANSI-konforme Dimmbuchse FLA-2141-30 stellt eine Verbindung zwischen einem vom Anwender bereitgestellten Dimmer und der Leuchte her. Sie ist für eine intelligente Beleuchtung vorgesehen, die durch das vorhandene Umgebungslicht gesteuert wird (gezeigt ist die Variante mit vier Kontakten). (Bildquelle: Amphenol ICC)

Für eine erweiterte Sensorintegration kann anstelle der Fotozelle ein FLB-P-Sockel hinzugefügt werden. Dies ermöglicht das Hinzufügen einer Platine mit Sensoren für eine Vielzahl anderer Funktionen wie Bewegungserkennung, Luftqualität und Geräuscherkennung. Die gesamte Baugruppe kann dann durch Hinzufügen einer FLB-C-Kuppelabdeckung geschützt werden. Hinweis: Diese sind nicht für den Einsatz in Innenräumen vorgesehen. Amphenol bietet auch die Kuppel FLB-C70-501-001 an, eine lichtdurchlässige Abdeckung nach NEMA ANSI C136.41 mit einem Durchmesser von 76 mm und einer Höhe von 130 mm, die für die Verwendung mit den FLB-P-Sockeln vorgesehen ist.

Die dimmbaren Steckbuchsen der Serie FLA können mit einer ANSI-C136.10-kompatiblen Fotozelle oder Kapazität (Leerlauf oder Kurzschluss) verwendet werden. Für zusätzliche Sensorintegration benötigen Entwickler:

• Die FLA-Steckbuchse
• Den FLB-P-Sockel
• Eine Platine mit Sensoren
• Die FLB-C-Schutzkuppel

Schließlich ermöglicht das Leuchtenerweiterungsmodul FLS-SB80-02 (80 mm) das Anheben der Dimmerbaugruppe über die Steckbuchse der FLA-Serie, um Dimm- und Sensormodule anzuschließen.

Fazit

LED-basierte Beleuchtung hat sowohl die Innen- als auch die Außenbeleuchtung in industriellen, kommerziellen und privaten Umgebungen dramatisch verändert. Sie bietet eine nahezu perfekte Kombination aus Energieeffizienz, langer Lebensdauer und Flexibilität in der Leuchtenkonfiguration. Um die Implementierung von LEDs zu vereinfachen und zu beschleunigen, erfüllen die verschiedenen Steckverbinderfamilien von Amphenol ICC die Anforderungen für den Innen- und Außenbereich sowie die Schutzart IP67, während sie gleichzeitig die Zhaga-Industriestandards erfüllen und so die Systemkompatibilität und Interoperabilität verbessern.

Weiterführende Literatur:

1. LED-Beleuchtungsprodukte von Amphenol: Kommerzielle/industrielle Beleuchtung, Innen und Außen
2. Zhaga-Book-20-konforme FLM-Serie | Datenblatt-Vorschau