Comprensión y aplicación de los nuevos conectores estándar para la iluminación interior y exterior basada en LED

Los diodos emisores de luz (LED) han revolucionado la iluminación interior y exterior. La eficiencia, la capacidad de control, el espectro de colores, el rendimiento térmico y los factores de forma únicos de esta tecnología de iluminación de estado sólido (SSL) han contribuido a dejar de lado la venerable bombilla incandescente Edison (así como las lámparas fluorescentes, de haluro metálico o de vapor de sodio). Ahora, para la mayoría de los nuevos diseños de interior y exterior, así como para las actualizaciones existentes, se da prioridad a los LED. Aun así, los diseñadores deben tener cuidado. Junto con la rápida innovación aparecen escollos como las conexiones no estándar y las soluciones de usuario final inadecuadas, todo lo cual contribuye a una experiencia negativa para el cliente.

No es solo la fuente de luz en sí lo que está cambiando radicalmente. Por ejemplo, la iluminación basada en LED también está cambiando el diseño y el factor de forma de los conectores -una parte necesaria de cualquier sistema de iluminación-, así como sus accesorios (llamados luminarias). Estos conectores no transportan la tensión de la línea de CA; en su lugar, transportan una tensión de CC más baja con corrientes que suelen oscilar entre los 3 amperios (A) y los 7 A. Además, un sistema de iluminación basado en LED suele formar parte de una red de control compatible con los estándares industriales Digital Addressable Lighting Interface (DALI) y Zhaga, lo que permite obtener una iluminación inteligente, de bajo consumo y alto rendimiento como parte de un hogar u oficina inteligente.

Por ello, antes de proceder al diseño de un sistema de iluminación basado en LED, los ingenieros deben familiarizarse con las normas y su reflejo en los conectores del mundo real, ya que los nuevos diseños surgen rápidamente.

Este artículo repasa brevemente por qué los LED se han vuelto tan omnipresentes, y a continuación presenta y describe los dos estándares de conexión que garantizan la interoperabilidad, el rápido desarrollo y la fácil implantación de los diseños basados en LED inteligentes. Se presentan los conectores de Amphenol ICC, y se describe su uso como una realización real de las normas pertinentes y su aplicación.

Por qué los LED son tan omnipresentes

El crecimiento de los LED como fuente de iluminación se debe a muchos factores:

• La reducción de los costes hace que aumenten los volúmenes, lo que a su vez hace que disminuyan aún más los costos y aumenten los volúmenes
• Mejoras en la fiabilidad básica y la longevidad de los LED como fuentes de luz
• Mejoras en los circuitos, principalmente en las fuentes de alimentación que accionan estos LED
• Mayor facilidad de control de los LED mediante controles inteligentes e incluso E/S en red
• Mejoras en la calidad de la salida óptica, caracterizada por la temperatura del color (Kelvin) y el índice de reproducción del color (CRI)
• Incentivos gubernamentales, normas y mandatos para una iluminación más eficiente que ahorre energía (se calcula que entre el 15% y el 20% del uso total de energía corresponde a la iluminación)
• Desarrollo de normas industriales y gubernamentales que garanticen tanto la interoperabilidad entre las fuentes de luz basadas en LED como la compatibilidad con los controladores inteligentes

El último punto es especialmente importante. Uno de los atributos importantes de la bombilla incandescente tradicional, que está siendo desplazada por los LED y las bombillas fluorescentes en menor medida, es el uso casi universal de la bombilla con casquillo Edison "E26" de 26 milímetros (mm) de diámetro enroscable en los entornos residenciales de Estados Unidos y muchos otros países (Figura 1). Existen otros tamaños, como el candelabro E12, pero el E26 es, con mucho, el más utilizado.

Figura 1: El casquillo E26 Edison de 26 mm es, con diferencia, el más utilizado para las bombillas, aunque existen algunos más pequeños y más grandes para satisfacer los distintos requisitos de las aplicaciones. (Fuente de la imagen: LOHAS LED Ltd.)

La estandarización con una única base y enchufe reduce los costes, por supuesto. También fomenta la disponibilidad de muchas formas de bombillas, niveles de potencia y otros atributos construidos en torno a esa base, al tiempo que reduce la preocupación por la sustitución a largo plazo de las bombillas fundidas. Las primeras generaciones de bombillas LED utilizaban el casquillo E26 para ser compatibles con los casquillos existentes y acostumbrar a los usuarios a la iluminación LED. Estas bombillas LED E26 se siguen vendiendo ampliamente, ya que hay innumerables millones de casquillos de este tipo actualmente en uso, y esa será la situación durante mucho tiempo.

Sin embargo, los LEDs son bastante diferentes en cuanto a su corriente, voltaje (DC) y consumo de energía en comparación con las bombillas incandescentes, que normalmente se alimentan de la red eléctrica con 120/240 voltios AC. Además, el enchufe E26 suele tener terminales de tornillo relativamente grandes para sus cables, que no son ideales para alimentar fuentes basadas en LED (Figura 2). Por ello, para que los LEDs puedan aprovechar plenamente su potencial desde el nivel del sistema hasta la conexión física, se necesitan nuevas normas y tipos de conectores.

Figura 2: Los grandes terminales de tornillo necesarios para el cableado de una toma de corriente con base E26 interfieren en la obtención del mejor uso de la fuente de luz basada en LED. (Fuente de la imagen: Family Handyman vía Pinterest)

Reconociendo la necesidad de un estándar de interfaz de iluminación moderno, la Digital Illumination Interface Alliance (DiiA) desarrolló el estándar DALI.

El estándar DALI redefine la conectividad de la iluminación

DALI es un protocolo específico para el control digital de la iluminación que permite instalar fácilmente redes de iluminación robustas, escalables y flexibles (Figura 3). La primera versión, DALI-1, era más adecuada para el control digital, la configuración y la consulta de los balastos fluorescentes, con poca consideración para los LED. Sustituye el funcionamiento simple, unidireccional y de difusión de los enfoques de control analógico de 0/1 a 10 voltios existentes.

Figura 3: La primera versión de la norma DALI definía una base de control que vinculaba todos los elementos que se alimentaban de los cables principales de corriente alterna en paralelo. (Fuente de la imagen: Omnialed)

El estándar también incluye una opción de difusión y, con una simple reconfiguración, se puede asignar a cada dispositivo DALI una dirección independiente que permita el control digital de dispositivos individuales. Además, los dispositivos DALI también pueden programarse para funcionar en grupos, de modo que los sistemas de iluminación pueden reconfigurarse por software, evitando así la necesidad de cambiar el cableado.

El crecimiento de las expectativas de los usuarios, junto con las mejoras en la tecnología LED, ha fomentado el desarrollo de lo que ahora es la norma DALI-2. DALI-2 es más que una norma industrial: ahora también es una norma de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC 62386). DALI-2 añade muchos comandos y funciones nuevas. Mientras que DALI-1 solo incluía los modos de control, DALI-2 abarca los dispositivos de control, como los controladores de aplicación y los dispositivos de entrada (por ejemplo, sensores), así como las fuentes de alimentación del bus. Se centra en la interoperabilidad de los productos de diferentes proveedores y se apoya en el programa de certificación DALI-2 para confirmar la compatibilidad de los productos con las especificaciones (Figura 4).

Figura 4: El estándar DALI-2 tiene más en cuenta las necesidades de los LEDs que el DALI-1 y además añade nuevos comandos y actualizaciones. (Fuente de la imagen: DALI Alliance)

Como todos los estándares completos, DALI-2 es complicado. En resumen, un solo par de cables actúa como bus, y cada dispositivo de una red DALI puede ser direccionado individualmente. El bus se utiliza tanto para las señales como para la alimentación y se apoya en una fuente de alimentación que proporciona hasta 250 miliamperios (mA) a 16 voltios de CC (típicamente). La norma admite dispositivos alimentados por la línea de CA o por un carril de CC.

Aunque hay varias normas que definen la tensión extrabaja (VEB), la CEI define un dispositivo o circuito de VEB como aquel en el que el potencial eléctrico entre el conductor eléctrico y la tierra no supera los 50 voltios de CA o los 120 voltios de CC. El cable de control DALI está clasificado como de potencial ELV, por lo que sólo requiere un aislamiento básico de la red eléctrica; puede pasar junto a dicha red o dentro de un cable multifilar que incluya la alimentación de la red.

Más allá de DALI-2: la especificación Zhaga se dirige a las luminarias

Las normas como DALI-2 son importantes, pero solo pueden llegar hasta cierto punto. No es de su competencia definir cómo debe vincularse la norma a aplicaciones específicas, como la iluminación y las luminarias LED. Para solucionar este problema, el consorcio internacional Zhaga ha establecido especificaciones industriales de interfaces para los componentes utilizados en las luminarias LED. El consorcio es un programa miembro de la Organización de Estándares Industriales y Tecnología del IEEE y cuenta con más de 120 miembros a partir de 2019.

Es un buen momento para dejar clara la diferencia entre un aparato de iluminación y una luminaria. El término "luminaria" es utilizado por el Manual de Iluminación de la Sociedad de Ingeniería de la Iluminación (IES), las normas ANSI/NEMA y la CEI. Se añadió al manual del Código Eléctrico Nacional (NEC) en 2002, con una definición formal como "una unidad de iluminación completa que consiste en una lámpara o lámparas junto con las partes diseñadas para distribuir la luz, para colocar y proteger las lámparas, y para conectar las lámparas a la fuente de alimentación" Una luminaria incluye la lámpara y todos los componentes directamente asociados con la distribución, el posicionamiento y la protección de la unidad luminosa, y específicamente no incluye los componentes de soporte, como un brazo, un tendón o un poste; los elementos de fijación utilizados para asegurar la luminaria; los dispositivos de control o seguridad; o los conductores de alimentación. Las luminarias adoptan muchas formas y están disponibles para una amplia gama de situaciones que van desde el alumbrado exterior estrictamente funcional hasta la iluminación interior de oficinas, e incluso la iluminación "de moda" de comercios u hogares.

El término "instalación" no está definido por la NEC y generalmente se refiere a lo que el usuario tiene en mente y puede incluir algunos o todos los elementos siguientes: la lámpara (bombilla), tal vez con el protector de la lámpara, el globo, la lente o el difusor, el soporte, el poste o el accesorio de la instalación, y otros elementos.

Las especificaciones de Zhaga, denominadas formalmente Books, abordan las interfaces eléctricas, mecánicas, ópticas, térmicas y de comunicación, y permiten la interoperabilidad de los componentes. Al adherirse a las especificaciones de Zhaga, los diseñadores pueden asegurarse de que los usuarios tienen componentes que son interoperables y pueden ser reemplazados o reparados, y que una luminaria LED puede ser actualizada después de la instalación cuando la nueva tecnología esté disponible.

Los libros 18 y 20 de Zhaga son de especial interés para los diseñadores que trabajan con luminarias basadas en LED; el primero se centra en el diseño de exteriores, mientras que el segundo es para aplicaciones de interior:

• El Libro 18 de Zhaga: "Interfaz inteligente entre las luminarias de exterior y los módulos de detección/comunicación" especifica los aspectos de alimentación y comunicación, además del ajuste mecánico y las clavijas eléctricas para un sistema de conectividad como se define en la edición 1.0. Simplifica la adición de módulos de aplicación, como sensores y nodos de comunicación, a las luminarias LED y garantiza la interoperabilidad "plug and play".
• El Libro 20 de Zhaga: "Interfaz inteligente entre luminarias de interior y módulos de detección/comunicación" define una interfaz inteligente entre una luminaria LED de interior y un nodo de detección/comunicación. El nodo se conecta al controlador LED y al sistema de control, y normalmente puede proporcionar entradas sensoriales o permitir la comunicación entre los componentes de la red. Los nodos se pueden instalar y sustituir sobre el terreno.

Los conectores completan el circuito

Las normas son fundamentales, por supuesto, y la compatibilidad e interoperabilidad comienzan con la interfaz física y su conector (Figura 5). El uso de la especificación DALI y de los estándares Zhaga está respaldado por una amplia gama de conectores que cumplen (y superan) sus requisitos, a la vez que proporcionan flexibilidad al usuario para operar en diferentes escenarios.

Figura 5: La especificación DALI y el estándar Zhaga proporcionan una ruta completa de conectividad de cables y conectores para la alimentación y los datos desde la fuente de energía hasta el LED de iluminación en una variedad de configuraciones. (Fuente de la imagen: Amphenol ICC)

Para su uso en interiores, el libro 20 de Zhaga define una interfaz de acoplamiento separable para los sensores de las redes de edificios inteligentes. La serie FLM de Amphenol ICC cumple con el estándar DALI y permite la operatividad "plug and play" para luminarias LED de interior y sensores o módulos de comunicación. De hecho, el Consorcio Zhaga eligió la serie FLM de Amphenol como estándar del Zhaga Book 20.

Dos miembros complementarios de la serie FLM de Amphenol ICC ilustran la norma Book 20 en la práctica: la carcasa de receptáculo de conector de dos contactos FLM-P21-00 para conexiones de cable/hilo con pines, y la carcasa de enchufe de dos contactos SSL FLM-S21-00 para conexiones de cable/hilo con enchufes. Otros modelos con tecnología de montaje en superficie (SMT) presentan configuraciones en ángulo recto y vertical para una mayor flexibilidad de diseño (Figura 6).

Figura 6: La carcasa del receptáculo FLM-P21-00 y la carcasa del enchufe FLM-S21-00 son conectores básicos SSL de dos hilos. (Fuente de la imagen: Amphenol ICC)

Entre las características de esta serie se encuentran:

• Interfaces separables con una geometría "poka yoke" (que significa "a prueba de tontos" o "a prueba de errores"), que garantiza la correcta alineación de los acoplamientos
• Un enchufe disponible con terminación sin herramientas
• Un cierre de hoyuelos integrado de bajo perfil que proporciona una fuerza de retención mínima de cinco newtons para un acoplamiento seguro, pero con un desacoplamiento fácil
• Una clavija disponible en bobina con contactos de engarce o con opciones de terminación de cables para permitir un montaje de gran volumen o un fácil montaje/servicio sobre el terreno

Por supuesto, muchas de las aplicaciones previstas para los LED no son tan benignas como los ambientes interiores ordinarios. Los requisitos de este tipo de aplicaciones pueden satisfacerse con la serie FLH de conectores cable a cable con grado de protección IP67 (sellados y resistentes al agua), incluyendo el FLH-P31-00 -un receptáculo de carcasa rectangular de tres posiciones con un paso de 2,50 mm- y el correspondiente enchufe de carcasa rectangular FLH-S31-00 (Figura 7); también se ofrecen versiones con hasta seis contactos.

Figura 7: Para los LED y otras aplicaciones de conectores que requieren un grado de protección IP67, está disponible la serie FLH con el receptáculo de carcasa rectangular de tres cables FLH-P31-00 (arriba a la izquierda) y el enchufe de carcasa rectangular de acoplamiento FLH-S31-00 (arriba a la derecha), así como las versiones de 2, 3, 4 y 6 patillas. (Fuente de la imagen: Amphenol ICC)

El rendimiento sellado y resistente al agua de los conectores de esta serie los hace especialmente adecuados para entornos difíciles, y pueden utilizarse para la iluminación, así como para situaciones de HVAC, industriales y de hogar inteligente, mientras que su diseño compacto también es una ventaja para las aplicaciones que ahorran espacio. Los contactos de estos conectores están clasificados para una gama de calibres de cable y corrientes correspondientes: 18 American Wire Gauge (AWG) para 8 A; 20 AWG para 5 A; hasta 22 AWG para 3 A.

En una instalación hay algo más que los conectores de alimentación. Para completar el proyecto de diseño, Amphenol ofrece otros componentes clave, como el FLA-2141-30, un receptáculo que cumple la norma ANSI C136-41 y que se utiliza para conectar una luminaria de exterior en aplicaciones de carreteras, calles y aparcamientos a una fotocélula para su regulación (Figura 8). Además de esta versión de dos contactos, hay versiones sin contactos y de cuatro contactos.

Figura 8: El receptáculo de regulación FLA-2141-30, conforme a la norma ANSI, proporciona una conexión entre un regulador de intensidad suministrado por el usuario y la luminaria. Está destinado a la iluminación inteligente que se controla mediante la luz ambiental disponible (se muestra la variación de cuatro contactos). (Fuente de la imagen: Amphenol ICC)

Para una integración más avanzada del sensor, se puede añadir una base FLB-P en lugar de la fotocélula. Esto permite añadir una placa de PC con sensores para una variedad de otras funciones como la detección de movimiento, la calidad del aire y la detección de sonido. El conjunto completo puede protegerse añadiendo una cubierta de cúpula FLB-C. Nota: No están pensados para su uso en interiores. Amphenol también ofrece la cúpula FLB-C70-501-001, una cubierta translúcida NEMA ANSI C136.41 de 76 mm de diámetro y 130 mm de altura que está diseñada para su uso con las bases FLB-P.

La serie FLA de receptáculos de atenuación se puede utilizar con la fotocélula o el tapón de la norma ANSI C136.10 (circuito abierto o cortocircuito). Para la integración de sensores adicionales los diseñadores necesitan:

• El receptáculo FLA
• La base FLB-P
• Una placa de PC con sensores
• La cúpula de protección FLB-C

Por último, el Módulo de Extensión de Luminaria FLS-SB80-02 (80 mm) permite elevar el conjunto de regulación por encima del receptáculo de la Serie FLA para conectar módulos de regulación y sensores.

Conclusión:

La iluminación basada en LED ha transformado radicalmente la iluminación interior y exterior en entornos industriales, comerciales y residenciales. Ofrece una combinación casi perfecta de eficiencia energética, larga vida útil y flexibilidad en la configuración de las luminarias. Para simplificar y acelerar el diseño de los LED, las distintas familias de conectores de Amphenol ICC cumplen con los requisitos de interior, exterior e IP67, a la vez que satisfacen los estándares de la industria Zhaga, mejorando así la compatibilidad e interoperabilidad del sistema.

Otras lecturas:

1. Productos de iluminación LED de Amphenol: Iluminación comercial / industrial, interior y exterior
2. Serie FLM compatible con Zhaga Book 20 | Vista previa de la hoja de datos