Conoscere e applicare i nuovi connettori standard per l'illuminazione da interni ed esterni basata sui LED

I diodi luminescenti (LED) hanno rivoluzionato l'illuminazione per esterni e interni. L'efficienza, la controllabilità, lo spettro di colori, le prestazioni termiche e i fattori di forma unici di questa tecnologia di illuminazione a stato solido (SSL) hanno contribuito ad accantonare la venerabile lampadina a incandescenza di Edison (così come le lampade fluorescenti, agli alogenuri metallici o a vapori di sodio). Ora, per la maggior parte dei nuovi progetti per interni ed esterni, così come per gli aggiornamenti esistenti, i LED sono la prima considerazione. Tuttavia, i progettisti devono fare attenzione. La rapida innovazione porta con sé nuove insidie, come le connessioni non standard e soluzioni non sempre compatibili per gli utenti finali, che contribuiscono all'esperienza negativa del cliente.

Non è solo la sorgente luminosa in sé che sta cambiando radicalmente. Ad esempio, l'illuminazione basata sui LED sta cambiando anche il design e il fattore di forma dei connettori - un aspetto necessario di qualsiasi sistema di illuminazione - così come gli apparecchi di illuminazione. Questi connettori non trasportano la tensione della linea in c.a. bensì trasportano una bassa tensione in c.c. a correnti tipicamente nell'intervallo da 3 a 7 A. Inoltre, un sistema di illuminazione basato sui LED fa spesso parte di una rete di controllo che supporta gli standard industriali Digitally Addressable Lighting Interface (DALI) e Zhaga, producendo un'illuminazione intelligente, a risparmio energetico e ad alte prestazioni come parte dell'automazione di una casa o un ufficio.

Di conseguenza, prima di procedere con la progettazione di un sistema di illuminazione basato sui LED, è necessario che i progettisti acquistino familiarità con gli standard e come applicarli ai connettori del mondo reale, dato che i nuovi progetti stanno emergendo rapidamente.

Questo articolo spiega brevemente il motivo che ha fatto dei LED componenti così pervasivi e poi presenta e descrive i due standard di connessione che assicurano l'interoperabilità, il rapido sviluppo e la facile implementazione di progetti intelligenti basati sui LED. Sono portati a esempio i connettori di Amphenol ICC, il cui utilizzo esemplifica l'incarnazione nel mondo reale degli standard pertinenti e della loro applicazione.

Perché i LED sono così pervasivi

La crescita dei LED come fonte di illuminazione è dovuta a molti fattori:

• Costi più bassi che si traducono in volumi più alti, che a loro volta comportano costi ancora più bassi e volumi sempre più alti
• Miglioramenti nell'affidabilità di base e nella longevità dei LED come sorgenti luminose
• Miglioramenti nei circuiti, soprattutto negli alimentatori che pilotano questi LED
• Maggiore facilità di controllo dei LED tramite controlli intelligenti e persino I/O in rete
• Miglioramenti nella qualità del rendimento ottico caratterizzato dalla temperatura cromatica (Kelvin) e dall'indice di resa cromatica (CRI)
• Incentivi statali, standard e normative per l'illuminazione ad alta efficienza per il risparmio energetico (si stima che tra il 15% e il 20% dell'uso totale di energia sia per l'illuminazione)
• Sviluppo di standard industriali e governativi che garantiscano sia l'interoperabilità tra le sorgenti luminose basate sui LED sia la compatibilità con i controller intelligenti

L'ultimo punto è particolarmente importante. Uno degli attributi importanti della tradizionale lampadina a incandescenza, soppiantata dai LED e in misura minore dalle lampadine fluorescenti, è l'uso pressoché universale della lampadina "E26" da 26 mm di diametro con attacco a vite Edison negli ambienti residenziali negli Stati Uniti e in molti altri paesi (Figura 1). Vi sono altri formati come l'attacco E12, ma l'E26 è di gran lunga il più usato.

Figura 1: L'attacco E26 Edison da 26 mm è di gran lunga quello più usato per le lampadine, anche se ne esistono alcuni più piccoli e altri più grandi per soddisfare vari requisiti applicativi. (Immagine per gentile concessione di: LOHAS LED Ltd.)

La standardizzazione con un attacco unico e una presa singola ovviamente abbassa i costi. Incoraggia anche la disponibilità di lampadine in vari formati, livelli di potenza e con altri attributi costruiti intorno a quell'attacco, riducendo i problemi legati alla sostituzione a lungo termine delle lampadine bruciate. Le prime generazioni di lampadine a LED utilizzavano l'attacco E26 per la compatibilità con le prese esistenti per abituare gli utenti all'illuminazione a LED. Le lampadine a LED E26 sono ancora ampiamente vendute, poiché ci sono milioni di prese di questo tipo attualmente in uso e questo avverrà ancora per molto tempo.

Tuttavia, i LED sono abbastanza diversi tra loro per quanto riguarda la corrente, la tensione (c.c.) e il consumo energetico rispetto alle lampadine a incandescenza, tipicamente alimentate a 120/240 V c.a. Inoltre, la presa E26 ha spesso terminali a vite relativamente grandi per i fili, che non sono ideali per alimentare sorgenti basate su LED (Figura 2). Quindi, per permettere ai LED di realizzare pienamente il loro potenziale dal livello di sistema fino alla connessione fisica, sono necessari nuovi standard e tipi di connettori.

Figura 2: I grandi terminali a vite necessari per il cablaggio di una presa con attacco E26 interferiscono con l'utilizzo ottimale della sorgente luminosa a LED. (Immagine per gentile concessione di Family Handyman via Pinterest)

Riconoscendo la necessità di un moderno standard per l'interfaccia di illuminazione, la Digital Illumination Interface Alliance (DiiA) ha sviluppato lo standard DALI.

Lo standard DALI ridefinisce la connettività dell'illuminazione

DALI è un protocollo dedicato al controllo digitale dell'illuminazione che permette la facile installazione di reti di illuminazione robuste, scalabili e flessibili (Figura 3). La prima versione, DALI-1, era più adatta al controllo digitale, alla configurazione e all'interrogazione dei ballast fluorescenti e prestava scarsa considerazione ai LED. Ha sostituito il funzionamento semplice e unidirezionale degli approcci di controllo analogico esistenti da 0/1 a 10 V.

Figura 3: La prima versione dello standard DALI definiva una base di controllo che collegava tutti gli elementi alimentati dai fili di alimentazione principale parallela. (Immagine per gentile concessione di Omnialed)

Lo standard include anche un'opzione di trasmissione e, con una semplice riconfigurazione, a ogni dispositivo DALI può essere assegnato un indirizzo separato per il controllo digitale dei singoli dispositivi. Inoltre, i dispositivi DALI possono essere programmati per funzionare in gruppi in modo che i sistemi di illuminazione possano essere riconfigurati via software, evitando così la necessità di cambiare il cablaggio.

La crescita delle aspettative degli utenti e i miglioramenti nella tecnologia LED hanno incoraggiato lo sviluppo di quello che ora è lo standard DALI-2. DALI-2 è più di uno standard industriale - ora è anche uno standard della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC 62386). DALI-2 aggiunge molti nuovi comandi e caratteristiche. Mentre DALI-1 includeva solo le modalità di controllo, DALI-2 copre i dispositivi di controllo come i controller delle applicazioni e i dispositivi di ingresso (es. i sensori), nonché gli alimentatori del bus. Si concentra sull'interoperabilità dei prodotti di diversi fornitori ed è supportato dal programma di certificazione DALI-2 per confermare la compatibilità dei prodotti con le specifiche (Figura 4).

Figura 4: Lo standard DALI-2 prende in maggiore considerazione le esigenze dei LED rispetto al DALI-1 e vi aggiunge comandi e aggiornamenti. (Immagine per gentile concessione di DALI Alliance)

Come tutti gli standard completi, DALI-2 è complicato. In breve, una singola coppia di fili funge da bus e ogni dispositivo su una rete DALI può essere indirizzato individualmente. Il bus è usato sia per i segnali sia per l'alimentazione ed è supportato da un'alimentazione che fornisce fino a 250 mA a 16 V c.c. (tipico). Lo standard supporta dispositivi alimentati dalla linea c.a. o da un rail c.c.

Sebbene vi siano vari standard che definiscono la tensione ultrabassa (ELV), l'IEC definisce un dispositivo o un circuito ELV come uno in cui il potenziale elettrico tra il conduttore elettrico e la terra non supera i 50 V c.a. o 120 V c.c. Il cavo di controllo DALI è classificato come potenziale ELV e quindi richiede solo un isolamento di base dalla rete in c.a.; può essere fatto passare vicino a quello della rete o all'interno di un cavo multicore che include l'alimentazione di rete.

Oltre DALI-2: la specifica Zhaga si rivolge agli apparecchi di illuminazione

Standard come il DALI-2 sono importanti ma non fanno tutto da soli. Non è di loro competenza definire come lo standard debba essere collegato ad applicazioni specifiche, come l'illuminazione a LED e gli apparecchi di illuminazione. Per affrontare questo problema, il consorzio internazionale Zhaga ha stabilito le specifiche industriali delle interfacce per i componenti utilizzati negli apparecchi a LED. Il consorzio è un programma membro della IEEE Industry Standards and Technology Organization e dal 2019 conta più di 120 membri.

È bene a questo punto chiarire la differenza tra una lampada e un apparecchio di illuminazione. Il termine "apparecchio di illuminazione" è usato dall'Illuminating Engineering Society (IES) Lighting Handbook, dalle norme ANSI/NEMA e dalla IEC. È stato aggiunto al manuale del National Electrical Code (NEC) nel 2002, con una definizione formale come "un'unità di illuminazione completa che consiste in una o più lampade insieme ai componenti progettati per distribuire la luce, per posizionare e proteggere le lampade e per collegare le lampade all'alimentazione". Un apparecchio di illuminazione include la lampada e tutti i componenti direttamente associati alla distribuzione, al posizionamento e alla protezione dell'unità luminosa, e non include specificamente i componenti di supporto, come un braccio o un palo, i dispositivi di fissaggio utilizzati per fissare l'apparecchio di illuminazione, i dispositivi di controllo o di sicurezza o i conduttori di alimentazione. Gli apparecchi di illuminazione hanno molte forme e sono disponibili per molte situazioni d'uso, dall'illuminazione stradale esterna strettamente funzionale all'illuminazione interna degli uffici e persino all'illuminazione "di tendenza" in negozi o abitazioni.

Il termine "apparecchio" non è definito dal NEC e generalmente si riferisce a qualsiasi cosa l'utente abbia in mente e può includere alcuni o tutti i seguenti elementi: la lampada (lampadina), forse con la sua protezione, il globo, la lente o il diffusore, il supporto, il palo o il raccordo di fissaggio e altri elementi.

Le specifiche Zhaga, formalmente chiamate Books, affrontano le interfacce elettriche, meccaniche, ottiche, termiche e di comunicazione e permettono l'interoperabilità dei componenti. Aderendo alle specifiche Zhaga, i progettisti possono garantire che gli utenti abbiano componenti che sono interoperabili e possono essere sostituiti o riparati e che un apparecchio di illuminazione a LED può essere aggiornato dopo l'installazione allorché una nuova tecnologia diventi disponibile.

Zhaga Book 18 e Book 20 sono di particolare interesse per i progettisti che lavorano con apparecchi di illuminazione basati sui LED; il primo è focalizzato sulla progettazione per esterni, mentre il secondo è per le applicazioni destinate agli interni:

• Zhaga Book 18 "Interfacce intelligenti tra apparecchi di illuminazione per esterni e moduli di rilevamento/comunicazione" specifica gli aspetti di alimentazione e comunicazione, oltre all'adattamento meccanico e ai pin elettrici per un sistema di connettività definito nell'edizione 1.0. Semplifica l'aggiunta di moduli applicativi come sensori e nodi di comunicazione agli apparecchi di illuminazione a LED e assicura l'interoperabilità plug-and-play.
• Zhaga Book 20 è la specifica di una "Interfaccia intelligente tra apparecchi di illuminazione per interni e moduli di rilevamento/comunicazione". Il nodo si collega al driver LED e al sistema di controllo e tipicamente può fornire input sensoriali o abilitare la comunicazione tra i componenti della rete. I nodi possono essere installati e sostituiti sul campo.

I connettori completano il circuito

Gli standard sono fondamentali, naturalmente, e la compatibilità e l'interoperabilità iniziano dall'interfaccia fisica e dal suo connettore (Figura 5). L'uso della specifica DALI e degli standard Zhaga è supportato da un'ampia scelta di connettori che soddisfano (e superano) i requisiti, fornendo al contempo all'utente la flessibilità per il funzionamento in diversi scenari.

Figura 5: La specifica DALI e lo standard Zhaga forniscono un percorso completo di connettività tra cavo e connettore per l'alimentazione e i dati dalla fonte di alimentazione al LED in una varietà di configurazioni. (Immagine per gentile concessione di Amphenol ICC)

Per l'uso negli interni, Zhaga Book 20 definisce un'interfaccia di accoppiamento separabile per i sensori sulle reti degli edifici intelligenti. La serie FLM di Amphenol ICC è conforme allo standard DALI e permette un'operatività "plug and play" per apparecchi di illuminazione a LED da interni e sensori o moduli di comunicazione. Infatti, il consorzio Zhaga ha scelto la serie FLM di Amphenol come standard Zhaga Book 20.

Due prodotti complementari della serie FLM di Amphenol ICC illustrano lo standard Book 20 nella pratica: l'alloggiamento della presa a due contatti FLM-P21-00 SSL per collegamenti cavo/filo con contatto a spina e l'alloggiamento della spina a due contatti FLM-S21-00 SSL per collegamenti cavo/filo con contatto a presa. Altri modelli in tecnologia a montaggio superficiale (SMT) presentano configurazioni ad angolo retto e verticali per la flessibilità del design-in (Figura 6).

Figura 6: L'alloggiamento della presa FLM-P21-00 e l'alloggiamento della spina FLM-S21-00 corrispondente sono semplici connettori SSL a due fili. (Immagine per gentile concessione di Amphenol ICC)

Tra le caratteristiche di questa serie ci sono:

• Interfacce separabili con una geometria "a prova di errore" o infallibile, che assicura il corretto allineamento degli accoppiamenti
• Una spina disponibile con terminazione a sfondare che non richiede l'uso di attrezzi
• Un meccanismo di chiusura integrato a profilo ribassato che fornisce un minimo di cinque newton di forza di ritenzione per un accoppiamento sicuro ma di facile disaccoppiamento
• Una spina disponibile in bobina con contatti a crimpare o opzioni di terminazione del filo a sfondare per l'assemblaggio ad alto volume o il facile assemblaggio/assistenza sul campo

Naturalmente, molte applicazioni LED finali non sono così semplici come i normali ambienti interni. I requisiti di tali applicazioni possono essere soddisfatti con la serie FLH di connettori filo-filo di grado IP67 (sigillati e impermeabili), tra cui FLH-P31-00, una presa in alloggiamento rettangolare a tre posizioni con un passo di 2,50 mm e la corrispondente spina in alloggiamento rettangolare FLH-S31-00 (Figura 7). Sono offerte anche versioni fino a sei contatti.

Figura 7: Per i LED e altre applicazioni di connessione che richiedono un grado di protezione IP67, sono disponibili la serie FLH con la presa in alloggiamento rettangolare a tre fili FLH-P31-00 (in alto a sinistra) e la spina in alloggiamento rettangolare FLH-S31-00 (in alto a destra), nonché le versioni a 2, 3, 4 e 6 pin. (Immagine per gentile concessione di Amphenol ICC)

Le prestazioni sigillate e impermeabili dei connettori di questa serie li rendono particolarmente adatti agli ambienti difficili, ad esempio per l'illuminazione e negli impianti HVAC, industriali e di domotica, mentre il loro design compatto è anche un vantaggio per le applicazioni salvaspazio. I contatti in questi connettori sono classificati per una gamma di sezioni dei conduttori e correnti corrispondenti: 18 AWG per 8 A; 20 AWG per 5 A e fino a 22 AWG per 3 A.

Un'installazione non si esaurisce con i soli connettori di alimentazione. Per completare il progetto, Amphenol offre altri componenti chiave tra cui FLA-2141-30, una presa conforme alla norma ANSI C136-41 usata per collegare un apparecchio di illuminazione da esterni in applicazioni stradali e di parcheggio a una fotocellula per capacità di dimmeraggio (Figura 8). Oltre a questa versione a due contatti, esistono versioni senza contatti e con quattro contatti.

Figura 8: La presa a dimmeraggio FLA-2141-30, conforme alle norme ANSI, fornisce una connessione tra un dimmer fornito dall'utente e l'apparecchio di illuminazione. È destinata all'illuminazione intelligente controllata dalla luce ambientale disponibile (in figura, la variante a quattro contatti). (Immagine per gentile concessione di Amphenol ICC)

Per un'integrazione più avanzata del sensore è possibile aggiungere una base FLB-P al posto della fotocellula. Ciò permette di aggiungere una scheda CS con sensori per una varietà di altre funzioni come il rilevamento del movimento e del suono e la qualità dell'aria. Il gruppo completo può essere protetto aggiungendo una calotta FLB-C. Nota: questi prodotti non sono destinati all'uso negli interni. Amphenol offre anche la calotta FLB-C70-501-001, un coperchio traslucido NEMA ANSI C136.41 di 76 mm di diametro e 130 mm di altezza progettato per l'uso con le basi FLB-P.

La serie FLA di prese dimmerabili può essere utilizzata con fotocellule o cappucci conformi ad ANSI C136.10 (circuito aperto o cortocircuito). Per un'ulteriore integrazione dei sensori i progettisti hanno bisogno di:

• Una presa FLA
• Una base FLB-P
• Una scheda CS con sensori
• Una calotta FLB-C

Infine, il modulo di estensione FLS-SB80-02 (80 mm) permette di sollevare il gruppo di dimmeraggio sopra la presa della serie FLA per collegare i moduli di dimmeraggio e dei sensori.

Conclusione

L'illuminazione basata sui LED ha trasformato radicalmente l'illuminazione interna ed esterna in ambienti industriali, commerciali e residenziali. Offre una combinazione quasi perfetta di efficienza energetica, lunga durata e flessibilità nelle configurazioni degli apparecchi di illuminazione. Per semplificare e accelerare il design-in dei LED, le varie famiglie di connettori di Amphenol ICC soddisfano i requisiti interni, esterni e IP67 e gli standard industriali Zhaga, migliorando così la compatibilità e l'interoperabilità del sistema.

Ulteriori letture

1. Prodotti Amphenol per l'illuminazione a LED: illuminazione commerciale/industriale, per interni ed esterni
2. Serie FLM conforme a Zhaga Book 20 | Anteprima della scheda tecnica