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深入解读DALI和Zhaga:两种LED照明标准及其连接器选型

得捷电子DigiKey 来源:未知 2022-12-08 19:05 次阅读

发光二极管 (LED) 彻底改变了室内外照明。这种固态照明 (SSL) 技术拥有出色的效率、可控性、色谱、热性能以及独特的外形,正将古老的爱迪生白炽灯泡(以及荧光灯、金属卤化物灯或钠蒸汽灯)淘汰出局。现在,大多数室内外新设计以及现有设计的升级改造,都会首先考虑LED。不过,在这个过程中,设计人员仍要小心,因为在快速创新的同时,也会出现一些隐患,比如非标连接和终端用户解决方案错配,这些都会造成负面的客户体验。

这是因为,LED照明彻底改变的不仅仅是光源本身。例如,LED照明也在改变连接器的设计和外形及其固定装置(称为灯具),这些连接器是任何照明系统的必要组成部分,它们不接受交流线路电压,而是接受较低的直流电压,典型电流通常在3安培 (A) 至7A之间。此外, LED照明系统通常是支持数字可寻址照明接口 (DALI) 和Zhaga行业标准的控制网络的一部分,并作为智能家居或办公的关键一环提供智能、节能、高性能的照明。

因此,在进行LED照明系统设计之前,工程师需要熟悉这些标准及其对现实世界连接器的影响,因为新的设计正在迅速兴起。

本文简要回顾了为什么LED会如此普及,然后介绍并描述了这两种连接标准,以确保智能LED设计的互操作性、快速开发和轻松部署。最后介绍了Amphenol Communications Solutions (ACS)的连接器,并通过这些连接器的实际用例,帮助大家了解相关标准及其应用。


为什么LED如此普及

LED发展成为照明光源有很多促进因素:
  • 成本降低推动产量提高,进而进一步推动成本降低、产量提高

  • LED作为光源的基本可靠性和寿命的增强
  • 电路改进,主要是驱动这些LED的电源改进
  • 智能控制装置甚至网络I/O的使用提高了对LED的控制便利性
  • 以色温(开尔文)和显色指数 (CRI) 为特征的光学输出质量的改善
  • 政府为提高照明效率以节约能源而采取的激励、标准化和强制措施(据估计,照明占总能耗的15%至20%)
  • 行业和政府标准的制定,这些标准确保了LED光源之间的互操作性以及与智能控制器的兼容性。

最后一点尤为重要。传统白炽灯泡有一个重要的尺寸种类就是“E26”,即26毫米 (mm) 直径的爱迪生螺口灯泡,这在美国和许多其他国家的住宅环境中几乎普遍使用(图1),正被LED 和荧光灯泡所取代,但程度还较小。当然还有其他尺寸,如E12底座,但E26是目前使用最广泛的。92da81e2-76e6-11ed-8abf-dac502259ad0.png

图1:26mm E26爱迪生底座是目前使用最广泛的灯泡底座,不过也有一些更小和更大的底座,可满足不同的应用需求(图片来源:LOHAS LED Ltd.)

当然,标准化为单一底座和插口可以降低成本。这种技术还催生出多种灯泡形状、功率水平以及围绕这种基础打造的其他属性,同时减少了对长期更换烧坏灯泡的担忧。早期几代LED灯泡采用E26底座,以兼容现有插口,让用户习惯于LED照明。这些E26 LED灯泡仍在广泛销售,因为目前有无数个这样的插口在使用,所以替代过程时间将会很长。

然而,与白炽灯相比,LED在电流、电压(直流)和功耗方面有很大的不同,白炽灯泡通常使用120/240伏交流电供电。另外,E26插口的导线往往有比较大的螺纹端子,这对于LED光源供电来说并不理想(图2)。因此,为了让LED从系统层面到物理连接层面都能充分发挥其潜力,需要新的标准和连接器类型。

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图2:E26插口接线所需的大螺纹端子影响了对LED光源的最佳利用(图片来源:Family Handyman via Pinterest)

认识到现代照明接口标准的需求后,数字照明接口联盟 (DiiA) 开发了DALI标准。

DALI标准重新定义了照明连接

DALI是一个数字照明控制的专用协议,能够轻松实现牢固、可扩展和灵活的照明网络安装(图3)。第一个版本DALI-1更适合用于荧光灯镇流器的数字控制、配置和查询,考虑LED的因素较少。它取代了现有0/1至10伏模拟控制方式的简单、单向、广播式操作。

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图3:DALI标准的第一个版本定义了一个控制基础,将所有由并联市电交流电源线供电的设备联系起来。(图片来源:Omnialed)

该标准还包括一个广播选项,通过简单的重新配置,每个DALI设备可以被分配一个单独的地址,允许对单个设备进行数字控制。此外,DALI设备还可以通过编程进行分组操作,这样就可以通过软件对照明系统进行重新配置,从而避免改变布线。

随着用户期望的增长以及LED技术的改进,促进了现在DALI-2标准的发展。DALI-2不仅仅是一个行业标准,现在也是国际电工委员会的标准 (IEC 62386)。DALI-2增加了许多新的命令和功能。DALI-1只包括控制模式,而DALI-2则涵盖了控制设备,如应用控制器和输入设备(如传感器),以及总线电源。其重点放在不同厂商产品的互操作性上,并有DALI-2认证计划提供支持,以确认产品与规范的兼容性(图4)。

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图4:与DALI-1相比,DALI-2标准更多地考虑了LED的需求,同时也增加了新的命令和更新。(图片来源:DALI 联盟)

与所有的综合标准一样,DALI-2也很复杂。简而言之,用单线对作为总线,DALI网络上的每个设备都可以单独寻址。总线同时用于提供信号和电源,支持的电源能在16伏直流电压(典型值)下提供最高250毫安 (mA) 的电流。该标准支持由交流线路或直流电源轨供电的设备。虽然有各种标准对超低电压 (ELV) 进行了定义,但IEC对ELV设备或电路的定义是:电导体与接地间的电势差不超过交流50伏或直流120伏。DALI控制电缆被归类为ELV设备,因此只需要与交流市电保持基本绝缘;它可以跟市电线路或包括市电线路的多芯电缆一起走线。

超越DALI-2:Zhaga规范瞄准了灯具

DALI-2等标准固然重要,但也只能到此为止。界定如何将标准与具体应用(如LED照明和灯具)联系起来不在其定义范围内。为解决这一问题,国际Zhaga联盟制定了LED灯具所用元器件的接口行业规范。该联盟是IEEE行业标准与技术组织的成员项目,截至2019年,已有120多家成员。要搞清照明设备和灯具的区别,现在正是时候。照明工程协会(IES) 照明手册、ANSI/NEMA标准和IEC都使用了“灯具”一词。它于2002年被添加到《美国国家电气规范》(NEC) 手册中,其正式定义为“一个完整的照明单元,由一盏或多盏灯以及设计用于分配光线、定位和保护灯管以及将灯管连接到电源的零部件组成”。灯具包括灯和所有直接与照明装置的分布、定位和保护有关的零部件,具体不包括支撑部件,如臂、筋或杆;用于固定灯具的紧固件;控制或安全装置;或电源导线。灯具的形式多种多样,适用于各种场合,从功能严格的户外街道照明到室内办公照明,甚至是“时尚”的零售或家居照明。

“照明设备”在NEC中没有定义,一般是指用户心目中的任何东西,可能包括以下一些或全部要素:灯管(灯泡),或许带灯罩、灯球、透镜或漫射器、支架、灯杆或灯具配件,以及其他要素。

Zhaga规范正式名称为Books(规格书),针对电气机械、光学、热学和通信接口,并允许组件的互操作性。通过遵守Zhaga规范,设计人员可以确保用户拥有可互操作、可更换或维修的组件,并确保LED灯具在安装后可在新技术出现时进行升级。

Zhaga规范正式名称为Books(规格书),针对电气、机械、光学、热学和通信接口,并允许组件的互操作性。通过遵守Zhaga规范,设计人员可以确保用户拥有可互操作、可更换或维修的组件,并确保LED灯具在安装后可在新技术出现时进行升级。 Zhaga Book 18和Book 20对使用LED灯具的设计人员来说特别有用;前者侧重于户外设计,而后者则是针对室内应用。

  • Zhaga Book 18:“户外灯具与传感/通信模块之间的智能接口”规定了电源和通信方面的内容,此外还规定了1.0版定义的连接系统的机械配合和电气引脚。它简化了应用模块的添加,如添加传感器和通信节点到LED灯具,并确保了即插即用的互操作性。
  • Zhaga Book 20:“室内灯具与传感/通信模块的智能接口”定义了室内LED灯具与传感/通信节点的智能接口。该节点连接到LED驱动器和控制系统,通常可以提供传感器输入或实现网络组件之间的通信。节点可以在现场安装和更换。

连接器完成电路

当然,标准是至关重要的,而兼容性和互操作性是从物理接口及其连接器开始的(图5)。DALI规范和Zhaga标准的使用得到了广泛的连接器支持,这些连接器满足(甚至超过)其要求,同时为用户在不同场景下的操作提供了灵活性。

944088ec-76e6-11ed-8abf-dac502259ad0.png图5:DALI规范和Zhaga标准提供了一个完整的电缆和连接器连接路径,用于各种配置的电源到照明LED的电源和数据连接。(图片来源:ACS) 针对室内使用,Zhaga Book 20定义了智能建筑网络中传感器的可分离配接接口。ACSFLM系列符合DALI标准,可实现室内LED灯具和传感器或通信模块的“即插即用”操作性。事实上,Zhaga联盟选择了Amphenol FLM系列作为Zhaga Book 20的标准。 ACS FLM系列的两个互补成员展示了Book 20的实际操作标准:FLM-P21-00SSL双触头连接器插座外壳用于插针触头电缆/电线到电缆/电线的连接,而FLM-S21-00双触点SSL插头外壳用于插口触头电缆/电线到电缆/电线的连接。其他表面贴装技术 (SMT) 型号具有直角和垂直配置,可实现设计灵活性(图6)。949d7b38-76e6-11ed-8abf-dac502259ad0.png

图6:FLM-P21-00插座外壳和与之配套的FLM-S21-00插头外壳是基本型两线SSL连接器。(图片来源:ACS)

该系列的特性包括

  • 可分离接口采用“防呆”几何形状(意为“傻瓜式”或“防错式”),可确保正确对接
  • 带有免工具插入式端子的可用插头

  • 一体化扁平凹陷锁扣功能,提供5牛顿的最小固位力,以确保安全配接,同时又能轻松拆除。

  • 插头可用卷轴提供,带有压接插座触头或插入式导线端子选件,允许大批量装配或易于现场装配/维修。

当然,很多目标LED应用并不像普通的室内环境那样容易搞定。FLH系列线对线IP67级(密封和防水)连接器可以满足此类应用的要求,包括FLH-P31-00(间距为2.50mm的三位矩形外壳插座)和配套的FLH-S31-00矩形外壳插头(图7);同时还提供多至六个触头的版本。95b51396-76e6-11ed-8abf-dac502259ad0.png图7:对于需要IP67防护等级的LED和其他连接器应用,FLH系列提供了三线FLH-P31-00矩形外壳插座(左上角)和配套的FLH-S31-00矩形外壳插头(右上角),以及2、3、4和6针位版本。(图片来源:ACS)

该系列连接器的密封和防水性能使其特别适合恶劣环境,可用于照明以及HVAC、工业和智能家居等场合,同时其紧凑的设计也具有节省空间的优势。这些连接器中的触头规格可用于不同的线径和相应的电流:18号美规 (AWG) 线,8A;20号AWG线,5 A;低至22号AWG线,3A。

安装不仅仅事关电源连接器。为了完成设计项目,Amphenol提供了其他关键组件,包括FLA-2141-30,这是一种符合ANSIC136-41标准的插座,用于将道路、街道和停车场应用中的户外灯具连接到光电池,以实现调光功能(图8)。除了这种两触头版本,还有无触头和四触头版本。

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图8:符合ANSI标准的FLA-2141-30调光插座用于在用户提供的调光器和灯具之间提供连接。该产品适用于由可用环境光控制的智能照明(所示为四触头变型)。(图片来源:ACS)

为了实现更高级的传感器集成,可以添加一个FLB-P底座来代替光电池。这样一来,就可以在印刷电路板上加装传感器,实现其他各种功能,如运动检测、空气质量、声音检测等。然后可以通过添加FLB-C圆罩来保护整个组件。注意:这些产品不适合在室内使用。Amphenol还提供了FLB-C70-501-001圆罩,这是一种NEMAANSI C136.41半透明罩,直径76mm,高130mm,设计用于FLB-P底座。

FLA系列调光插座可与符合ANSI C136.10标准的光电池或盖帽(开路或短路)一起使用。如需实现额外传感器集成,设计人员需要:

  • FLA插座

  • FLB-P底座

  • 带传感器的电路板

  • FLB-C保护罩

最后,FLS-SB80-02灯具扩展模块 (80mm) 允许将调光组件提升到FLA系列插座上方,以连接调光和传感器模块。

本文小结

LED照明已经极大地改变了工业、商业和住宅的室内外照明。它将能效、长寿命和灯具配置的灵活性近乎完美地结合在一起。为了简化和加速LED设计导入,ACS推出了各种系列的连接器,在满足室内外和IP67级要求的同时,也满足了Zhaga行业标准,从而提高了系统的兼容性和互操作性。

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延伸阅读:

  • Amphenol LED照明产品:室内外商业/工业照明

  • 符合ZhagaBook 20标准的FLM系列| 规格书预览

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