瞭解並採用新標準的連接器於室內和戶外 LED 架構照明

作者：Bill Schweber

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2021-02-10

發光二極體 (LED) 革新了室內和戶外照明。此固態照明 (SSL) 技術的高效率、可控制性、色譜、熱效能和獨特的外型尺寸替代過時的愛迪生燈泡 (以及白熾燈、金屬鹵素、鈉氣燈)。現在大多數室內和戶外的新型設計，以及既有設計的升級，都優先採用 LED。不過，設計人員還是要小心謹慎。快速創新會帶來一些陷阱，例如非標準連接和不匹配的終端使用者解決方案，都會導致負面客戶體驗。

不光是光源本身有大幅的改變。例如，LED 架構照明也改變了連接器 (所有照明系統的必要元件之一) 的設計和外型，以及其燈具 (稱為泛光燈)。這些連接器不承載 AC 線路電壓，而是更低的 DC 電壓，其電流一般為 3 A 至 7 A。此外，LED 架構照明系統常為控制網路的一部份，支援數位可定址照明介面 (DALI) 和 Zhaga 產業標準，為智慧家庭或辦公室提供智慧、節能、高效能照明。

因此，在新設計快速興起之下，工程師在設計 LED 架構照明系統之前，必須熟悉這些標準，以及其如何反映至連接器實作之上。

本文簡要說明 LED 普及的原因，並介紹和說明兩種連接標準，如何確保智慧 LED 架構設計的互通性、快速發展、輕鬆部署。本文將介紹 Amphenol ICC 的連接器，藉由說明如何具體於實作中應用及其相關標準，瞭解其用途。

LED 普及的原因

LED 光源使用率的成長有許多因素：

更低的成本驅動更高的產量，進而讓成本再度降低，產量也隨之提升
LED 作為光源，可提升基本可靠性和壽命
電路的改良；主要為驅動 LED 的電源供應器
透過智慧控制或甚至連網 I/O，提升 LED 控制的簡易性
光學輸出品質的提升，由色溫 (K) 和演色性指數 (CRI) 界定特性
政府針對高效率照明以節能 (估計有 15% 至 20% 的整體能源用於照明) 的鼓勵、標準、法規。
業界和政府標準的發展，以確保 LED 架構光源的互通性和針對智慧控制器的相容性

最後一點尤其重要。傳統白熾燈較少由 LED 和日光燈所取代的一項重要屬性，是幾乎通用的「E26」26 mm 直徑的螺紋栓入式愛迪生基座燈泡；該燈泡用於美國及其他各國的居家環境中 (圖 1)。燭台型其他尺寸的燈泡如 E12 燈泡，但 E26 還是最廣泛使用的類型。

26 mm E26 愛迪生燈泡基座圖片 圖 1：儘管有許多不同尺寸的基座，用於各種應用需求，26 mm E26 愛迪生基座仍然是至今最廣泛使用的燈泡基座。(圖片來源：LOHAS LED Ltd.)

單一基座和插槽標準化絕對可降低成本。這鼓勵許多不同形狀、功率等級，以及其他屬性的燈泡以此基座為主打造，同時能減少顧慮，不用擔心燈泡燒壞後沒有長期替代品。早期的 LED 燈泡使用 E26 基座，提供與既有插槽的相容性，讓使用者適應 LED 照明。這些 E26 燈泡仍然廣泛銷售，由於目前還有數百萬此類插槽在使用，這樣的情形仍會持續很久。

不過 LED 與白熾燈在電流、電壓 (DC)、功耗上有極大的不同，白熾燈通常採用 120/240 VAC 主電源。此外，E26 插槽通常有相對較大的螺紋端子用於其電線，對於驅動 LED 架構燈源並不理想 (圖 2)。因此，為了讓 LED 在系統等級至實體連接上完整實現潛力，需要新的連接器標準和類型。

E26 基座插槽佈線需要的大型螺紋端子圖片 圖 2：E26 基座插槽介面佈線所需的大型螺紋端子，以及 LED 架構光源的最佳使用。(圖片來源：Family Handyman 的 Pinterest)

數位照明介面聯盟 (DiiA) 瞭解現代照明介面需要有新標準，因此開發了 DALI 標準。

DALI 標準重新定義照明連接性

DALI 是數位照明控制專用協定，能達到輕鬆安裝耐用、可延伸、彈性的照明網路 (圖 3)。第一版 DALI-1 較適合日光燈安定器的數位控制、配置、查詢，較少針對 LED 的考量。以 10 V 類比控制方式，替代既有的簡單、單向、類廣播的 0/1 作業。

圖 3：第一版 DALI 標準定義連接所有項目至並聯主 AC 電源線供電的控制基座。(圖片來源：Omnialed)

此標準亦包含一個廣播選項及一個簡單的重新配置，每個 DALI 元件可以指定一個獨立的位址，允許個別裝置進行數位控制。此外，DALI 元件可以經過編程，以群組方式作業，如此一來，照明系統可以透過軟體重新配置，進而避免需要變更佈線。

使用者的期待不斷提高，加上 LED 技術的提升，促成如今 DALI-2 標準的開發。DALI-2 不僅是業界標準，目前也是國際電工委員會的標準 (IEC 62386)。DALI-2 中新增許多新的命令和功能。DALI-1 僅包含控制模式，DALI-2 則涵蓋控制元件，例如應用控制器和輸入元件 (即感測器)，以及匯流排電源供應器。此標準著重於不同廠商產品的互通性，並且由 DALI-2 認證計畫支援，確保產品相容於規格 (圖 4)。

圖 4：DALI-2 標準比 DALI-1 更著重於 LED 的需求，並且加上新的命令和更新。(圖片來源：DALI Alliance)

如同其他完整的標準，DALI-2 十分複雜。簡單來說，單對的電線作為匯流排，且每個在 DALI 網路上的元件可個別定址。此匯流排用於訊號和電源，並且由一個電源供應器供電，在 16 VDC 下提供高達 250 mA。此標準支援由 AC 線路或 DC 電源軌供電的元件。

有許多標準定義超低電壓 (EVL)，IEC 為其中之一，用以定義 ELV 元件或電路，確保導體和接地間的電位不超過 50 VAC 或 120 VDC。DALI 控制纜線被分類為 EVL 電位，因此只需與 AC 主電源有基本隔離；該纜線可以與這些主電源並列，或在包含主電源的多芯纜線中作業。

超越 DALI-2：Zhaga 規格目標針對泛光燈

DALI-2 等標準非常重要，但還是有限。這些標準不會定義標準與特定應用的關連，例如 LED 照明和泛光燈。針對此情形，國際 Zhaga 聯盟針對 LED 泛光燈中元件的介面建立業界規格。此聯盟是 IEEE 產業標準與技術組織的會員計畫，至 2019 年已有超過 120 名會員。

正好藉此說明，如何區分燈具 (light fixture) 和泛光燈 (luminaire)。「泛光燈 (luminaire)」一詞係由北美照明工程協會 (IES) 照明手冊、ANSI/NEMA 標準、IEC 所採用。在 2002 年加入美國國家電工標準 (NEC) 手冊，其正式定義為「完整的照明單元，包含一個或數個燈具，結合其設計用於散布光源、定位和保護燈具，以及連接燈具至電源供應器的零件」。泛光燈包含燈具及所有用以散布、定位、保護照明單元的直接相關元件，並且特別指出，不包含支撐元件，例如臂、鋼腱、柱；用於固定泛光燈的固定件；控制或安全元件；電源供應器導線。泛光燈有許多樣式，並且適用於各種環境，包含嚴峻的戶外街道照明到室內辦公室照明，甚至是「時髦」的零售業或家庭照明。

「燈具 (fixture)」不受 NEC 定義，一般指稱任何使用者會想到的東西，也可能包含以下部分或所有元素：燈 (燈泡)、燈罩、球型燈、鏡片或柔光罩、支撐架、柱或固定器接頭等。

Zhaga 規格，正式名稱為 Book，說明電氣、機械、光學、熱、通訊介面，以及元件的互通性。藉由遵守 Zhaga 規格，設計人員可以確保使用者取得可互通性的元件，並且能替換或維修，且此 LED 泛光燈在安裝後，若有新的技術問世，能夠進行升級。

LED 架構泛光燈的設計人員需特別注重 Zhaga Book 18 和 Book 20；前者著重於戶外設計，後者則是室內應用：

Zhaga Book 18 的「戶外泛光燈和感測／通訊模組之間的智慧介面」除了在 1.0 版中針對連接系統定義機械固定和電氣引腳之外，亦為功率和通訊方面訂立規格。這能簡化應用模組的外接元件，例如連接 LED 泛光燈的感測器和通訊節點，並且確保隨插即用的互通性。
Zhaga Book 20 的「室內泛光燈和感測／通訊模組的智慧介面」定義室內 LED 泛光燈和感測／通訊節點之間的智慧介面。此節點連接至 LED 驅動器和控制系統，一般可以提供感測輸入或允許在網路元件進行通訊。可以在現場安裝和替換節點。

連接器讓線路完整

標準固然重要，其相容性和互通性的基礎為實體介面和其連接器 (圖 5)。多種符合 (或超越) 其需求的連接器支援 DALI 規格和 Zhaga 標準，提供使用者彈性，以便在不同的情境下操作。

DALI 規格和 Zhaga 標準圖示 圖 5：DALI 規格和 Zhaga 標準係針對電源和資料，在不同配置中，從電源至發光 LED 提供完整的纜線和連接器連線途徑。(圖片來源：Amphenol ICC)

Zhaga Book 20 針對室內用途，為智慧建築網路中的感測器定義可分離的配接介面。Amphenol ICC 的 FLM 系列符合 DALI 標準，並且可進行「隨插即用」，適用於室內 LED 泛光燈和感測器或通訊模組。事實上，Zhaga 聯盟已選擇 Amphenol 的 FLM 系列作為 Zhaga Book 20 的標準。

Amphenol ICC FLM 系列的其他兩款補充元件於實作中展現 Book 20 標準：FLM-P21-00 SSL 雙觸點連接器插座外罩，用於引腳觸點纜線／電線對纜線／電線連接；以及 FLM-S21-00 雙觸點 SSL 插頭外罩，用於插槽觸點纜線／電線對纜線／電線。其他表面黏著 (SMT) 型號具有直角和垂直配置，提供導入設計彈性 (圖 6)。

Amphenol ICC 的 FLM-P21-00 插座外罩和配接 FLM-S21-00 插頭外罩圖示 圖 6：FLM-P21-00 插座外罩和配接 FLM-S21-00 插頭外罩為基本雙線 SSL 連接器。(圖片來源：Amphenol ICC)

這些系列的特點包含：

可分離的介面，具有「防呆」幾何，可確保正確配接對位
一個免工具插入端子的插頭
一個整合式薄型多點閂鎖，提供最小 5 N 的保持力，能確保穩固配接，且可輕鬆斷開
軸上提供一個具有壓接插槽觸點或插入式電線端子的插頭，可大量組裝或輕鬆進行現場組裝／維修

想當然耳，許多預計的 LED 應用，並不如一般的室內環境。此類應用的需求可由 FLH 系列線對線 IP67 等級 (密封和防水) 連接器滿足。此系列包含 2.50 mm 間距三腳位矩形外罩插座 FLH-P31-00 以及對應的矩形外罩插頭 FLH-S31-00 (圖 7)；亦提供多達 6 個觸點的型號。

Amphenol ICC 的 FLH 系列含三線 FLH-P31-00 矩形外罩插座圖片圖 7：針對 LED 和其他需 IP67 等級的連接器應用，FLH 系列提供三線 FLH-P31-00 矩形外罩插座 (左上) 和配接的 FLH-S31-00 矩形外罩插頭 (右上)，亦提供 2、3、4、6 引腳型號。(圖片來源：Amphenol ICC)

此系列連接器具備密封和防水效能，特別適合用於嚴峻環境，並且可用於照明、HVAC、工業、智慧家庭環境，其緊湊設計也有益於空間受限的應用。這些連接器的觸點提供多種線規和對應的電流：18 美國線規 (AWG) 用於 8 A、20 AWG 用於 5 A、小至 22 AWG 用於 3 A。

除了電源連接器之外，此裝置還有其他元件。Amphenol 提供其他關鍵元件，以完成完整的設計專案，包含符合 ANSI C136-41 的插座 FLA-2141-30，用於連接道路、街道、停車場應用的戶外泛光燈至光電池，提供調光能力 (圖 8)。除了雙觸點型號，也提供無觸點和四觸點型號。

符合 ANSI 的 Amphenol ICC FLA-2141-30 調光插座圖片圖 8：符合 ANSI 的 FLA-2141-30 調光插座為使用者的調光器和泛光燈提供連接。此元件預計用於由環境光控制的智慧照明 (圖片顯示為四觸點型號)。(圖片來源：Amphenol ICC)

FLB-P 基座可以替代光電池，達到更進階的感測器整合。這能允許加入額外具有感測器的電路板，提供多種其他功能，例如動作偵測、空氣品質、聲音偵測。添加 FLB-C 圓頂護蓋即可保護完整組件。備註：這些元件並非預計用於室內。Amphenol 亦提供 FLB-C70-501-001 圓頂，此元件為 NEMA ANSI C136.41 透明護蓋，直徑 76 mm、高 130 mm，設計搭配 FLB-P 基座使用。

FLA 系列調光插座可以搭配 ANSI C136.10 相容光電池或電容 (開路或短路)。若要進行額外的感測器整合，設計人員需要：