להבין וליישם את המחברים התקניים החדשים עבור תאורת פנים וחוץ מבוססת-LED

דיודות פולטות-אור (LEDs) הביאו למהפכה בתאורת פנים וחוץ. היעילות, יכולת הבקרה, ספקטרום הצבעים, הביצועים התרמיים וגורמי הצורה הייחודיים של טכנולוגיה זו של תאורת מצב-מוצק (SSL) סייעו לדחוק הצידה את נורת הלהט המכובדת של Edison‏ (כמו גם מנורות הפלואורסצנט, הליד המתכת (metal halide) או אדי הנתרן (sodium vapor)). כעת, עבור מרבית התכנים החדשים לשימוש פנים וחוץ, כמו גם עבור שדרוגים קיימים, שיקול ראשון ניתן לנורות LED. עדיין, המתכננים חייבים להיות זהירים. יחד עם חדשנות מהירה באות מלכודות כגון חיבורים לא-סטנדרטיים ופתרונות משתמש-סופי לא מתאימים, כולם תורמים לניסיון לקוח שלילי.

לא רק מקור האור משתנה מן היסוד. לדוגמה, תאורה מבוססת LED משנה גם את התכן ואת גורם הצורה של המחברים - חלק חיוני של כל מערכת תאורה - כמו גם את גופי התאורה (הנקראים luminaires). מחברים אלה אינם נושאים מתח קו AC; במקום זה, הם נושאים מתח DC נמוך יותר עם זרמים אופייניים בתחום ה-3 אמפר (A) עד 7‎ A. בנוסף, מערכת תאורה מבוססת LED‏ היא לעיתים קרובות חלק מרשת‏ בקרה התומכת בתקני תעשייה Digital Addressable Lighting Interface‏ (DALI) ו-Zhaga, מניבה תאורה עם ביצועים-עיליים, חכמה, חוסכת אנרגיה, כחלק מבית או משרד אינטליגנטי.

כתוצאה מכך, לפני שמתחילים בתכנון מערכת תאורה מבוססת LED, מוטל על המהנדסים להכיר את התקנים וכיצד הם משתקפים במחברים של העולם האמיתי, מאחר ותכנים חדשים צצים במהירות.

מאמר זה סוקר בקצרה מדוע נורות LED הפכו להיות כל כך נפוצות, ולאחר מכן מציג ומתאר את שני תקני החיבור המבטיחים יכולת פעולה הדדית (interoperability), פיתוח מהיר ופריסה קלה של תכנים חכמים מבוססי LED. מוצגים מחברים מבית Amphenol ICC, ומתואר השימוש בהם כהתגלמויות העולם האמיתי של התקנים הרלוונטיים והיישומים שלהם.

מדוע נורות LED הן כל כך נפוצות

הגידול בנורות LED‏ כמקור‏ תאורה הוא הודות לגורמים רבים:

• עלויות נמוכות יותר דוחפות לנפחים גבוהים יותר, שמצידם דוחפים לעלויות עוד יותר נמוכות וכך לנפחים הולכים וגדלים
• שיפורים באמינות הבסיסית ובאריכות ימים של נורות LED‏ כמקורות תאורה
• שיפורים במעגלים, בעיקר בספקי-הכוח הדוחפים נורות LED‏ אלו
• קלות בקרה משופרת של נורות LED‏ באמצעות בקרים חכמים ואפילו כניסות/יציאות מרושתות
• שיפורים באיכות יציאות אופטיות כפי שמאופיין על ידי טמפרטורת צבע (Kelvin‏) ואינדקס הצגת צבעים (CRI)
• תמריצים, תקנים, וצווים רשמיים של ממשלות ליעילות תאורה גבוהה יותר כדי לחסוך באנרגיה (ההערכות הן שבין 15% ו-20% מהשימוש הכולל באנרגיה הוא עבור תאורה)
• פיתוח תקנים של תעשייה וממשלה המבטיחים יכולת פעולה הדדית (Interoperability) בין מקורות אור מבוססים LED‏ כמו גם תאימות עם בקרים חכמים

הנקודה האחרונה היא חשובה במיוחד. אחת התכונות החשובות של מנורת הלהט המסורתית, שמוחלפת על ידי נורות LED ובמידה פחותה יותר על ידי נורות פלואורסצנט, היא השימוש הקרוב לאונברסלי ב-“E26”, נורה עם בסיס-Edison‏ בקוטר הברגה של 26 מ"מ (mm), בסביבות של מגורים בארה"ב ומדינות רבות אחרות (איור 1). ישנן מידות אחרות כגון ה-E12 Candelabra‏, אך ה-E26 היא הנפוצה הרבה יותר.

איור 1: בסיס E26 Edison‏ 26 מ"מ ‏היא הנורה הנפוצה ביותר לשימוש במידה רבה, למרות שישנן מספר נורות קטנות וגדולות יותר כדי לעמוד בדרישות יישום שונות. (תמונת מקור: .LOHAS LED Ltd)

סטנדרטיזציה עם בסיס‏ ובית נורה יחיד מורידה, כמובן, עלויות. היא גם מעודדת זמינות של צורות נורה ורמות הספק רבות וכן תכונות אחרות הבנויות סביב אותו בסיס, תוך הקטנת הדאגה של החלפת נורות שרופות בטווח הרחוק. דורות קודמים של נורות LED השתמשו בבסיס ה-E26 עבור תאימות עם בתי נורה קיימים, כדי להרגיל משתמשים לתאורת LED. נורות E26 LED אלו עדיין נמכרות באופן נרחב, מאחר וקיימים כעת בשימוש אין-ספור מיליונים של בתי נורה כאלה, וזה יהיה המצב לזמן ארוך מאוד.

אולם, נורות LED‏ הן שונות למדי מבחינת הזרם, המתח (DC‏) וצריכת ההספק שלהן בהשוואה לנורות להט, שמוזנות אופיינית על ידי מתח רשת תוך שימוש ב-120/240 וולט AC‏. כמו כן, בית הנורה E26 בדרך כלל הוא בעל הדקי בורג גדולים עבור החוטים שלו, שאינם אידיאליים עבור הזנת מקורות מבוססות LED (איור 2). על כן, כדי לאפשר לנורות LED‏ להגשים במלואן את הפוטנציאל שלהן מרמת המערכת מטה לחיבור הפיזי, דרושים סוגי מחברים ותקנים חדשים.

איור 2: הדקי הבורג הגדולים הדרושים עבור חיווט בית נורה עם בסיס-E26 מפריעים להפקת המיטב ממקור האור מבוסס ה-LED. (מקור תמונה: Family Handyman באמצעות Pinterest)

מתוך הכרה בצורך בתקן ממשק תאורה מודרני, ה-Digital Illumination Interface Alliance‏ (DiiA) פתחה את תקן ה-DALI.

תקן DALI מגדיר מחדש חיבוריות תאורה

DALI הוא פרוטוקול ייעודי עבור בקרת תאורה דיגיטלית המאפשר את‏ ההתקנה של רשתות תאורה חסונות, ניתנות להתאמה וגמישות (איור 3). הגרסה הראשונה, DALI-1, התאימה יותר לבקרה דיגיטלית, תצורה ושאלת מגבלי הזרם (ballast) בתאורת פלואורסצנט, עם התחשבות מועטה בנורות LED‏. היא החליפה את התפקוד דמוי השידור החד-כווני הפשוט של גישות בקרה אנלוגיות 0/1 עד 10 וולט הקיימות.

איור 3: הגרסה הראשונה של תקן ה-DALI הגדירה בסיס‏ בקרה שחיבר את כל הפריטים המוזנים על ידי החוטים המקבילים של אספקת-הכוח AC רשת. (מקור תמונה: Omnialed)

התקן גם כולל אופציית שידור, ועם הגדרת תצורה מחודשת פשוטה, ניתן לייחס לכל התקן DALI כתובת נפרדת המאפשרת בקרה דיגיטלית של התקנים פרטניים. נוסף לכך, ניתן גם לתכנת התקני DALI לעבוד בקבוצות כך שמערכות התאורה ניתנות להגדרת תצורה מחדש על ידי תוכנה, ובכך למנוע את הצורך לשנות את החיווט.

הגידול בציפיות משתמש יחד עם שיפורים בטכנולוגיית LED עודדו את הפיתוח של מה שידוע עתה כתקן DALI-2. ה-DALI-2 הוא יותר מתקן תעשייה - כעת הוא גם International Electrotechnical Commission standard‏ (IEC 62386). DALI-2 מוסיף הרבה פקודות ומאפיינים חדשים. בעוד DALI-1 כלל רק מצבי בקרה, DALI-2 מכסה התקני בקרה כגון בקרי יישום והתקני כניסה (לדוגמה, חיישנים), כמו גם ספקי-כוח אפיק. הוא מתמקד ביכולת הפעולה ההדדית (Interoperability) של מוצרים מיצרנים שונים ונתמך על ידי תכנית ההסמכה DALI-2 לאישור תאימות מוצר עם המפרט (איור 4).

איור 4: תקן ה-DALI-2 לוקח בחשבון יותר מ-DALI-1 את הצרכים של נורות LED וגם מוסיף פקודות ועדכונים חדשים. (מקור תמונה: DALI Alliance)

כמו כל התקנים המקיפים, DALI-2 הוא מסובך. בקיצור, זוג חוטים בודד פועל כאפיק, וניתן לפנות לכל התקן ברשת DALI באופן פרטני. האפיק משמש עבור אותות ואספקת-כוח ונתמך על ידי ספק-כוח המספק עד 250 מילי-אמפר (mA‏) ב-16 וולט DC‏ (אופייני). התקן תומך בהתקנים מוזנים על ידי קו ה-AC‏ או פס‏ DC‏.

בעוד שישנם תקנים שונים המגדירים מתח אקסטרה-נמוך (ELV), ה-IEC מגדיר התקן או מעגל ELV כאחד בו הפוטנציאל החשמלי בין מוליך חשמלי והארקה (ground) אינו עולה על 50 וולט AC או 120 וולט DC. כבל הבקרה DALI מסווג כפוטנציאל ELV ולכן דורש בידוד בסיסי בלבד מרשת AC; ניתן להריץ אותו צמוד לכבל הרשת או בתוך כבל מרובה-ליבה הכולל מתח רשת.

מעבר ל-DALI-2:‏ מפרטי Zhaga מכוונים לגופי תאורה (luminaires)

תקנים כמו DALI-2 חשובים אך מוגבלים בכמה רחוק יכולים ללכת. זה לא בתחום האחריות שלהם להגדיר כיצד התקן יקושר ליישום ספציפי, כגון תאורת LED וגופי תאורה (luminaires). כדי לטפל בנושאים אלה, הקונסורציום הבינלאומי Zhaga Consortium קבע מפרטי תעשייה של ממשקים עבור רכיבים המשמשים בגופי תאורה (luminaires)‏ LED. הקונסורציום הוא איגוד חברים בארגון ה-IEEE Industry Standards and Technology Organization ובו יותר מ-120 חברים החל מ-2019.

כעת הוא זמן‏ טוב להבהיר את ההבדל בין light fixture ו-luminaire. מדריך התאורה Illuminating Engineering Society‏ (IES), תקני ANSI/NEMA וה-IEC משתמשים במונח “luminaire”. המונח הוסף למדריך ה-National Electrical Code‏ (NEC) בשנת 2002, עם הגדרה‏ פורמלית כ"יחידת תאורה שלמה הכוללת נורה או נורות יחד עם החלקים המתוכננים להפיץ את האור, למקם ולהגן על הנורות ולחבר את הנורות לספק-הכוח".‏ ה-luminaire כולל את הנורה ואת כל הרכיבים הקשורים ישירות עם ההפצה, המיקום וההגנה של יחידת ההארה, ובמפורש אינו כולל רכיבי תמיכה, כגון זרועה, גיד או מוט; המהדקים המשמשים לקיבוע גוף התאורה (luminaire); התקני בקרה או הגנה; או מוליכי ספק-כוח. לגופי התאורה (luminaires) יש הרבה צורות והם זמינים עבור תחום רחב של מצבים החל מתאורת חוץ רחוב פונקציונלית בלבד עד תאורת פנים משרדית ואפילו תאורת בית או קמעונאות "אופנתית".

“Fixture” אינו מוגדר על ידי ה-NEC ובאופן כללי מתיחס למה שעולה בדעתו של המשתמש ויכול לכלול חלק או את כל האלמנטים הבאים: הנורה, אולי עם מגן הנורה, הכדור, העדשה או מפזר האור, התמיכה, המוט או מקבע גוף התאורה ואלמנטים אחרים.

מפרטי ה-Zhaga, שנקראים פורמלית Books, מתייחסים לממשקים חשמליים, מכניים, אופטיים, תרמיים ותקשורת, ומאפשרים את יכולת הפעולה ההדדית (Interoperability) של רכיבים. על ידי היצמדות למפרטי ה-Zhaga, מתכננים יכולים להבטיח שלמשתמשים יש רכיבים שהם בעלי יכולת פעולה הדדית (interoperable) וניתנים להחלפה או שירות, ושגוף תאורה (luminaire)‏ LED ניתן לשדרוג לאחר התקנה כשטכנולוגיה חדשה הופכת להיות זמינה.

Zhaga Book 18 ו-Book 20 הם בעלי עניין מיוחד למתכננים העובדים עם גופי תאורה (luminaires) מבוססים על LED; הראשון ממוקד בתכני חוץ בעוד השני הוא עבור יישומי פנים:

• Zhaga Book 18: “ממשק חכם בין גופי תאורה (luminaires) לשימוש חוץ ומודולים של חישה/תקשורת" מפרט היבטי אספקת-כוח ותקשורת, בנוסף להתאמה המכנית ולפינים החשמליים עבור מערכת חיבוריות כמוגדר בהוצאה 1.0‏ (Edition 1.0). הוא מפשט הוספת מודולים של יישום כגון חיישנים וצמתי תקשורת לגופי תאורה (luminaires) ‏LED ומבטיח יכולת פעולה הדדית (Interoperability) חבר-והפעל.
• Zhaga Book 20: “ממשק חכם בין גופי תאורה (luminaires) לשימוש פנים ומודולים של חישה/תקשורת” מגדיר ממשק חכם בין גוף תאורה (luminaires)‏ LED לשימוש פנים וצומת חישה/תקשורת. הצומת מתחבר למערכת הבקרה והדחיפה של ה-LED, ואופיינית יכול לספק כניסות חישה או לאפשר תקשורת בין רכיבי רשת. צמתים ניתנים להתקנה ולהחלפה בשדה.

מחברים משלימים את המעגל

תקנים הם קריטיים, כמובן, ותאימות ויכולת פעולה הדדית (Interoperability) מתחילות בממשק הפיזי והמחבר שלו (איור 5). השימוש במפרטי DALI ותקני Zhaga נתמך במבחר רחב של מחברים העומדים (ואף עולים) בדרישות שלהם תוך הענקת גמישות משתמש עבור עבודה תחת תרחישים שונים.

איור 5: מפרטי DALI ותקן Zhaga מספקים מסלול חיבוריות כבל ומחבר שלם עבור אספקת-כוח ונתונים ממקור כוח ל-LED מאיר במגוון תצורות. (מקור תמונה: Amphenol ICC)

עבור שימוש פנים, Zhaga Book 20 מגדיר ממשק חיבור ניתן להפרדה עבור חיישנים ברשתות בנין חכמות. סדרת FLM‏ של Amphenol ICC תואמת עם תקן ה-DALI, ומאפשרת תפקוד "חבר-והפעל" עבור גופי תאורה (luminaires) ‏LED לשימוש פנים וחיישנים או מודולים של תקשורת. למעשה, קונסורציום ה-Zhaga בחר בסדרת ה-Amphenol FLM כתקן Zhaga Book 20.

שני מחברים משלימים של סדרת ה-Amphenol ICC FLM מדגימים את תקן Book 20 למעשה: בית השקע של מחבר שני-מגעים SSL‏ FLM-P21-00‏ עבור חיבורי כבל מגע-פינים/חוט לכבל/חוט, ובית התקע SSL שני-מגעים FLM-S21-00 עבור כבל מגע-שקע/חוט לכבל/חוט. דגמי טכנולוגיית הרכבה משטחית (SMT) אחרים כוללים תצורות זווית ישרה ואנכית עבור גמישות בתכנון (איור 6).

איור 6: בית השקע FLM-P21-00 ובית תקע מתחבר FLM-S21-00 הם מחברי SSL שני-חוטים בסיסיים. (מקור תמונה: Amphenol ICC)

מבין המאפיינים של סדרה זו נמצאים:

• ממשקים ניתנים להפרדה עם גאומטריית‏ “poka yoke” (משמעות “fool-proof” או “חסין-שגיאה”), שמבטיחה יישור חיבור נכון
• קיים תקע עם סיומת תחיבה ללא כלים
• אלמנט סגר-קעור משולב בעל פרופיל נמוך המספק כוח אחיזה מינימלי של חמישה ניוטון עבור חיבור מאובטח אך עם הפרדה קלה
• תקע הזמין באריזת סליל עם אופציות מגעי שקע לחיצה או סיומת תחיבת חוט כדי לאפשר הרכבה בנפח-גדול או הרכבה/שירות קל‏ בשדה

כמובן, יישומי יעד‏ רבים של LED אינם בתנאים נוחים כמו שימוש פנים רגיל. הדרישות של יישומים כאלה יכולות להיות מסופקות עם סדרת ה-FLH של מחברי חוט-לחוט מדורגים IP67 (אטומים וחסיני-מים) כולל ה-FLH-P31-00,‏ שקע שלושה מגעים עם בית מחבר מלבני ועם‏ פסיעה של 2.50 מ"מ—והתקע המתאים עם בית מחבר מלבני FLH-S31-00 (איור 7); מוצעות גם גרסאות עם עד שישה מגעים.

איור 7: עבור נורות LED‏ ויישומי מחבר נוספים הדורשים דרוג IP67, זמינה סדרת ה-FLH עם שקע שלושה מגעים ובית מחבר מלבני FLH-P31-00 (עליון שמאל) ותקע מתחבר FLH-S31-00 עם בית מחבר מלבני (עליון ימין), כפי שזמינות גרסאות של 2-, 3-, 4-, ו-6-פינים. (מקור תמונה: Amphenol ICC)

ביצועי האטימות וחסינות-המים של מחברים בסדרה זו עושים אותם למתאימים היטב במיוחד עבור תנאי סביבה קשים, וניתן להשתמש בהם עבור תאורה כמו גם מערכות חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC) בסביבות תעשייה ובית חכם, בעוד התכן הקומפקטי שלהם הוא יתרון גם כן עבור יישומים חוסכי-מקום. המגעים במחברים אלה מדורגים עבור‏ מגוון חתכי חוט וזרמים מתאימים: ‎18 AWG‏ עבור ‎8 A‏; ‎20 AWG‏ עבור ‎5 A‏; מטה עד ‎22 AWG‏ עבור ‎3 A‏.

בהתקנה יש הרבה יותר ממחברי אספקת-כוח בלבד. כדי להשלים את פרויקט התכנון, Amphenol מציעה רכיבי מפתח אחרים כולל ה-FLA-2141-30, שקע תואם ANSI C136-41 המשמש לחיבור גוף תאורה (luminaire) לשימוש חוץ ביישומי כביש, רחוב ומגרש חניה לתא-פוטואלקטרי עבור יכולות עמעום (איור 8). בנוסף לגרסת שני-מגעים זו, קיימות גרסאות ללא מגעים וארבעה מגעים.

איור 8: שקע העמעום FLA-2141-30 התואם-ANSI מספק חיבור בין עמעם המסופק על ידי משתמש וגוף התאורה (luminaire). הוא מיועד עבור תאורה חכמה המבוקרת על ידי תאורת סביבה קיימת (מוצגת הגרסה עם ארבע-מגעים). (מקור תמונה: Amphenol ICC)

עבור שילוב חיישן מתקדם יותר ניתן להוסיף בסיס FLB-P במקום התא-הפוטואלקטרי. זה מאפשר את ההוספה של‏ לוח מעגל מודפס עם חיישנים עבור מגוון פונקציות אחרות כגון גילוי תנועה, איכות-אוויר וצליל. אחרי כן ניתן להגן על המכלול השלם על ידי הוספת מכסה כיפה FLB-C. שים לב: אלה אינם מיועדים עבור שימוש פנים. Amphenol‏ גם מציעה את כיפת FLB-C70-501-001, כיסוי שקוף-למחצהNEMA ANSI C136.41 בעל קוטר של 76 מ"מ וגובה של 130 מ"מ המתוכנן לשימוש עם בסיסי ה-FLB-P.

סדרת ה-FLA של שקעי עמעום ניתנת לשימוש עם תא-פוטואלקטרי או כיפה תואמים ANSI C136.10 (מעגל פתוח או מעגל מקוצר). עבור שילוב חיישנים נוספים, מתכננים זקוקים לפריטים הבאים:

• שקע FLA
• בסיס FLB-P
• לוח מעגל מודפס עם חיישנים
• כיפת הגנה FLB-C

לבסוף, מודול ההרחבה גוף-תאורה (luminaire)‏ (80 מ"מ) ‏FLS-SB80-02 מאפשר הרמה של מכלול העמעם מעל השקע מסדרת FLA כדי לחבר מודולים של עמעום וחיישן.

מסקנה

תאורה מבוססת-LED שינתה באופן דרמטי תאורת פנים וחוץ בסביבה תעשייתית, מסחרית ומגורים. היא מציעה שילוב כמעט-מושלם של יעילות-אנרגטית, חיים ארוכים וגמישות בתצורות גוף תאורה (luminaire). כדי לפשט ולהאיץ תכנון עם נורות LED, המשפחות השונות של מחברים מבית Amphenol‏ ICC עומדות בדרישות שימוש פנים, חוץ ו-IP67 בעוד שגם עומדות בתקני התעשייה Zhaga, ובכך משפרות תאימות מערכת ויכולת פעולה הדדית (interoperability).

לקריאה נוספת:

1. מוצרי תאורה Amphenol LED: תאורה מסחרית/תעשייתית, שימוש פנים וחוץ
2. סדרת FLM תואמת Zhaga Book 20 | תצוגה מקדימה של גיליון נתונים