실내 및 실외 LED 기반 조명을 위한 새로운 표준 커넥터에 대한 이해 및 응용

발광 다이오드(LED)는 실내 및 실외 조명에 혁신을 일으켰습니다. 이 고체 조명(SSL) 기술의 효율성, 제어 가능성, 색상 스펙트럼, 열 성능 및 고유한 폼 팩터는 오랜 역사가 있는 Edison 백열 전구(형광등, 금속 할로겐화물 또는 나트륨 증기 램프)를 열외시켰습니다. 이제는, 기존 업그레이드뿐만 아니라 대부분의 새로운 실내 및 실외 설계에 LED가 우선적으로 고려됩니다. 그러나 아직도 설계자들이 주의해야 할 사항이 있습니다. 급속한 혁신으로 인해 비표준 연결 및 부정합 최종 사용자 솔루션과 같은 위험이 수반되며 이러한 위험은 고객 경험에 부정적 영향을 미칩니다.

근본적으로 변화하는 것은 광원 자체만이 아닙니다. 예를 들어, LED 기반의 조명은 조명 기구뿐만 아니라 모든 광 시스템의 필수 부품인 커넥터의 설계 및 폼 팩터도 변화시킵니다. 이러한 커넥터는 AC 전압을 전달하지 않고 그 대신 3A ~7A 범위의 통상적 전류에서 더 낮은 전압의 DC를 전달합니다. 추가적으로, LED 기반 조명 시스템은 대개 디지털 처리 조명 시스템(DALI) 및 Zhaga 산업 표준을 지원하는 제어 네트워크의 일부로서, 지능형 홈 또는 사무실의 일부로 스마트한 에너지 절약형 고성능 조명을 제공합니다.

결과적으로, 새로운 설계가 빠르게 등장함에 따라, LED 기반 조명 시스템 설계를 진행하기 전에 표준 및 이 표준이 실제 커넥터에 반영되는 방식에 익숙해지는 것은 엔지니어의 책임입니다.

이 기사에서는 LED가 널리 보급된 이유를 살펴보고, 스마트 LED 기반 설계의 상호 운용성, 신속한 개발 및 손쉬운 배포를 보장하는 두 가지 연결 표준을 소개 및 설명합니다. 또한 Amphenol ICC의 커넥터를 소개하고, 관련 표준 및 해당 응용 제품의 실제 구현으로 이 커넥터에 대한 사용을 설명합니다.

LED가 널리 보급된 이유

조명원으로서 LED의 성장은 다음과 같은 여러 요인으로 기인합니다.

• 낮은 비용으로 대용량 구동(궁극적으로 더 낮은 비용으로 더 많은 용량 구동)
• 조명원으로서 LED의 기본 신뢰성 및 장기 수명성 향상
• 회로망 개선(주로 이러한 LED를 구동하는 전원 공급 장치)
• 스마트한 제어 및 네트워크화된 I/O를 통한 LED 제어 용이성 향상
• 색온도(켈빈) 및 연색 평가 지수(CRI)로 설명되는 광 출력 품질의 개선
• 에너지 절약(조명의 경우 총 에너지 사용의 15% ~ 20%로 추정됨)을 위한 고효율 조명에 대한 정부 인센티브, 표준 및 명령
• LED 기반 조명원 간의 상호 운영성과 스마트 컨트롤러와의 호환성을 보장하는 산업 및 정부 표준 개발

마지막 요인은 특히 중요합니다. LED와 형광등으로 대체되고 있는 기존 백열 전구의 중요한 특성 중 하나는 미국 및 다른 여러 국가에서 "E26" 26mm 지름의 나사식 Edison 기반 전구가 거의 보편적으로 사용된다는 것입니다(그림 1). E12 칸델라브라와 같은 다른 크기도 있지만 E26이 가장 널리 사용됩니다.

그림 1: 다양한 응용 요구 사항을 충족하는 더 작거나 더 큰 베이스가 많이 있지만 26mm E26 Edison 베이스는 지금까지 가장 광범위하게 사용되는 램프 전구 베이스입니다. (이미지 출처: LOHAS LED Ltd.)

단일 베이스 및 소켓을 표준화하면 당연히 비용이 절감됩니다. 또한 다 쓴 전구의 장기적 교체에 대한 우려를 줄이면서 해당 베이스를 중심으로 구축된 많은 전구 모양, 전력 수준 및 기타 속성의 가용성을 장려합니다. 초기 세대의 LED 전구는 사용자가 LED 조명에 익숙해 질 수 있도록 기존 소켓과의 호환성을 위해 E26 베이스를 사용했습니다. 셀 수 없이 많은 이러한 소켓이 현재 사용되고 있기 때문에 이러한 E26 LED 전구는 지금도 널리 판매되고 있으며 이러한 상황은 앞으로도 오랫동안 지속될 것입니다.

그러나, LED는 일반적으로 120/240V AC를 사용하여 전력을 공급받는 백열 전구와 비교하여 전류, 전압(DC) 및 전력 소비 측면에서 상당히 다릅니다. 또한, E26 소켓에는 종종 전선에 상대적으로 큰 나사 단자가 있어 LED 기반 소스에 전력을 공급하는 데 적합하지 않습니다(그림 2). 따라서, LED를 통해 시스템 레벨에서 물리적 연결까지의 전위를 최대한으로 실현하려면 새로운 표준 및 유형의 커넥터가 필요합니다.

그림 2: E26 베이스 소켓을 배선하는 데 필요한 대형 나사 단자는 LED 기반 조명원에 대한 최적의 사용을 방해합니다. (이미지 출처: Family Handyman via Pinterest)

최신 조명 인터페이스 표준의 필요성을 인식한 Digital Illumination Interface Alliance(DiiA)는 DALI 표준을 개발했습니다.

조명 연결을 재정의하는 DALI 표준

DALI는 견고하고 확장 가능하며 유연한 조명 네트워크를 손쉽게 설치할 수 있도록 하는 디지털 조명 제어를 위한 전용 프로토콜입니다(그림 3). 첫 번째 버전인 DALI-1은 LED를 거의 고려하지 않은 상태로 형광등 밸러스트의 디지털 제어, 구성, 쿼리에 가장 적합했습니다. 이는 기존의 0/1V ~ 10V 아날로그 제어 접근 방식의 간단한 단방향 방송과 같은 작동을 대체했습니다.

그림 3: DALI 표준의 첫 번째 버전은 병렬 주 AC 전력선으로 전력이 구동되는 모든 품목을 연결한 제어 베이스를 정의했습니다. (이미지 출처: Omnialed)

이 표준에는 또한 동보 통신 옵션이 포함되어 있으며 간단한 재구성을 통해 각 DALI 장치에 별도의 주소를 할당하여 개별 장치에 대한 디지털 제어를 구현할 수 있습니다. 또한 DALI 장치는 그룹으로 작동하도록 프로그래밍할 수 있으므로, 소프트웨어를 통해 조명 시스템을 재구성함으로써 배선을 변경할 필요가 없게 됩니다.

LED 기술의 개선과 함께 사용자 기대도 증가함에 따라 현재 DALI-2 표준의 개발이 장려되었습니다. DALI-2는 산업 표준 그 이상이며 현재 국제 전기 기술위원회 표준(IEC 62386)이기도 합니다. DALI-2는 여러 새로운 명령과 기능을 추가합니다. DALI-1에는 제어 모드만 포함되었지만 DALI-2는 응용 컨트롤러 및 입력 장치(예: 센서) 및 버스 전력과 같은 제어 장치를 포괄합니다. 이 장치는 다양한 벤더에서 제공하는 제품의 상호 운용성에 중점을 두며 사양과의 제품 호환성을 확인하기 위해 DALI-2 인증 프로그램으로 지원됩니다(그림 4).

그림 4: DALI-1과 비교하여 DALI-2 표준은 LED에 대한 필요성을 크게 고려하며 새로운 명령 및 업데이트도 추가합니다. (이미지 출처: DALI Alliance)

모든 포괄적 표준이 그러하듯, DALI-2도 복잡합니다. 요약하면, 단일 전선 쌍은 버스로 동작하고 DALI 네트워크의 각 장치는 개별적으로 처리될 수 있습니다. 버스는 신호와 전력 모두에 사용되며 통상 16V DC에서 최대 250mA를 제공하는 전원 공급 장치로 지원됩니다. 이 표준은 AC 라인 또는 DC 레일에 의해 전력이 공급되는 장치를 지원합니다.

초저전압(ELV)을 정의하는 다양한 표준이 있지만 IEC는 ELV 장치 또는 회로를 전기 컨덕터와 접지 사이의 전위가 50V AC 또는 120V DC를 초과하지 않는 것으로 정의합니다. DALI 제어 케이블은 ELV 전위로 분류되어 AC 본선으로부터의 기본적인 절연만 있으면 됩니다. 이는 이러한 본선 다음 또는 본선 전력을 포함하는 다중 코어 케이블 내에서 연결됩니다.

DALI-2 이후: 조명 기구를 대상으로 하는 Zhaga 사양

DALI-2와 같은 표준은 중요하지만 한계가 있을 수 있습니다. 이러한 표준에서는 LED 조명 및 조명 기구와 같은 특정 응용 제품에 연결되는 방법을 정의하는 것은 다루지 않습니다. 이 문제를 해결하기 위해 국제 Zhaga 컨소시엄은 LED 조명 기구에 사용되는 부품에 대한 인터페이스의 산업 사양을 설정했습니다. 이 컨소시엄은 IEEE 산업 표준 및 기술 기구의 회원 프로그램이며 2019년을 기준으로 120명 이상의 회원을 보유하고 있습니다.

이제 조명 기구를 의미하는 light fixture와 luminaire의 차이를 명확히 구별해 보겠습니다. 용어 “luminaire”는 미국조명기술자협회(IES) 조명 핸드북, ANSI/NEMA 표준 및 IEC에서 사용됩니다. 이 용어는 “조명을 분배하고, 램프를 배치 및 보호하며, 램프를 전원 공급 장치에 연결하도록 설계된 부품과 함께 램프로 구성된 완전한 조명 장치”라는 공식적 정의로 2002년 미국 전기 코드(NEC) 핸드북에 추가되었습니다. "luminaire"에는 조명 장치의 분배, 배치, 보호와 직접적으로 관련된 램프 및 모든 부품이 포함되며 암, 긴장재, 막대와 같은 지지 부품, 조명 기구를 고정하는 데 사용되는 패스너, 제어/보안 장치 또는 전원 공급 컨덕터는 포함되지 않습니다. "luminaire"는 여러 형태를 취하며 엄격하게 기능을 수행하는 실외 가로등부터 실내 사무실 조명 및 심지어 "트렌디한" 소매점 또는 가정용 조명에 이르기까지 다양한 환경에서 사용할 수 있습니다.

용어 “fixture”는 NEC에 의해 정의되어 있지 않으며 일반적으로 사용자가 염두에 두고 있는 모든 것을 의미합니다. 여기에는 램프(전구), 램프 가드, 글러브, 렌즈 또는 디퓨저, 지지대, 막대 또는 조명 기구 부품 및 기타 소자 중 일부 또는 모두가 포함될 수 있습니다.

공식적으로 Book이라고 하는 Zhaga 사양은 전기, 기계, 광학, 열 및 통신 인터페이스를 다루고 부품 간 상호 운용성을 허용합니다. Zhaga 사양을 준수함으로써 설계자는 사용자가 상호 운용이 가능하고 교체 또는 이용할 수있는 부품을 보유하고 있으며, 새로운 기술이 사용 가능하게 되면 설치 후 LED 조명 기구(luminarie)를 업그레이드할 수 있도록 보장할 수 있습니다.

Zhaga Book 18 및 Book 20은 LED 기반 조명기구(luminarie)로 작업하는 설계자에게 특히 중요합니다. Book 18은 실외 설계에 중점을 두고 Book 20은 실내 응용 제품을 대상으로 합니다.

• Zhaga Book 18: “실외용 조명 기구(luminarie)와 감지/통신 모듈 간 스마트 인터페이스”는 Edition 1.0에 정의된 대로 연결 시스템에 대한 기계적 적합성 및 전기 핀 이외에 전력 및 통신 측면을 지정합니다. 이는 LED 조명 기구(luminarie)에 센서 및 통신 노드와 같은 응용 모듈 추가를 단순화하고 플러그 앤 플레이 상호 운영성을 보장합니다.
• Zhaga Book 20: “실내용 조명 기구(luminarie)와 감지/통신 모듈 간 스마트 인터페이스”는 실내용 LED 조명 기구(luminarie)와 감지/통신 노드 간 스마트 인터페이스를 정의합니다. 노드는 LED 구동기 및 제어 시스템에 연결되며 일반적으로 감지 입력을 제공하거나 네트워크 부품 간 통신을 가능하게 할 수 있습니다. 노드는 현장에서 설치 및 교체할 수 있습니다.

회로를 완성시키는 커넥터

표준은 매우 중요하며 호환성 및 상호 운용성은 물리적 인터페이스와 해당 커넥터로 시작됩니다(그림 5). DALI 사양 및 Zhaga 표준의 사용은 다양한 시나리오에서 작동할 수 있는 사용자 유연성을 제공하면서 해당 요구 사항을 충족(및 능가)하는 다양한 커넥터에 의해 지원됩니다.

그림 5: DALI 사양 및 Zhaga 표준은 전원부터 다양한 구성의 조명 LED에 이르기까지 전력 및 데이터에 대한 완전한 케이블 및 커넥터 연결 경로를 제공합니다. (이미지 출처: Amphenol ICC)

실내 사용의 경우, Zhaga Book 20은 지능형 건물 네트워크의 센서를 위한 분리 가능한 결합 인터페이스를 정의합니다. Amphenol ICC FLM 계열은 DALI 표준을 준수하며 실내용 LED 조명 기구(luminaire) 및 센서 또는 통신 모듈을 위한 "플러그 앤 플레이" 상호 운영성을 실현합니다. 실제로 Zhaga 컨소시엄은 Amphenol FLM 계열을 Zhaga Book 20 표준으로 선택했습니다.

Amphenol ICC FLM 계열의 다음 두 상호 보완적 제품은 실제 상황에서 Book 20 표준을 증명합니다. 핀 접점 케이블/전선 케이블 간, 전선 연결을 위한 FLM-P21-00 SSL 2접점 커넥터 리셉터클 하우징 및 소켓 접점 케이블/전선 케이블 간/전선 연결을 위한 FLM-S21-00 2접점 SSL 플러그 하우징. 다른 표면 실장 기술(SMT) 모델은 디자인인 유연성을 위한 직각 및 수직 구성을 제공합니다(그림 6).

그림 6: FLM-P21-00 리셉터클 하우징 및 결합 FLM-S21-00 플러그 하우징은 기본적인 2선 SSL 커넥터입니다. (이미지 출처: Amphenol ICC)

이 계열의 특징에는 다음이 포함됩니다.

• “포카 요케” 기하학 구조(실패할 염려가 없음을 의미함)의 분리 가능한 인터페이스를 통해 올바른 결합 배열 보장
• 공구가 필요 없는 포크인 종단을 갖춘 플러그
• 확실하게 결합되지만 손쉽게 분리할 수 있도록 최소 5뉴턴의 유지력을 제공하는 통합된 저높이 딤플 래치 기능
• 대량 조립 또는 간편한 현장 조립/이용을 가능하게 하는 크림프 소켓 접점 또는 포크인 전선 종단 옵션과 함께 릴로 제공되는 플러그

당연히, 의도된 여러 LED 응용 제품은 일반 실내 환경만큼 호의적이지 않습니다. 이러한 응용 제품의 요구 사항은 FLH 계열 전선 간 IP67 정격(밀폐 및 방수) 커넥터를 사용하여 충족할 수 있습니다. 여기에는 2.50mm 피치의 3접점 직사각형 하우징 리셉터클인 FLH-P31-00과 이에 상응하는 FLH-S31-00 직사각형 하우징 플러그(그림 7)가 포함됩니다. 최대 6개 접점을 제공하는 버전도 제공됩니다.

그림 7: IP67 정격을 필요로 하는 LED 및 다른 커넥터 응용 제품의 경우, 3선 FLH-P31-00 직사각형 하우징 리셉터클(왼쪽 위) 및 결합되는 FLH-S31-00 직사각형 하우징 플러그(오른쪽 위)를 포함하는 FLH 계열을 사용할 수 있습니다. 2/3/4/6핀 버전으로 제공됩니다. (이미지 출처: Amphenol ICC)

이 계열 커넥터의 밀폐 및 방수 성능은 열악한 환경에 특히 적합합니다. 조명은 물론 HVAC, 산업 및 스마트 홈 환경에서 사용할 수 있으며 콤팩트한 설계는 공간 절약형 응용 제품에도 도움이 됩니다. 이러한 커넥터의 접점은 다음과 같이 전선 게이지 및 대응되는 전류 범위에 맞게 정격화되었습니다. 18AWG(8A의 경우) ~ 22AWG(3A의 경우).

전력 커넥터만 있는 경우와 비교하여 설치 시 더 많은 것이 요구됩니다. 설계 프로젝트를 완료할 수 있도록, Amphenol은 조광 기능을 위해 도로, 거리, 주차장 응용 제품의 실외용 조명 기구(luminarie)를 광전지에 연결하는 데 사용되는 FLA-2141-30(ANSI C136-41 호환 리셉터클)을 비롯한 다른 주요 부품을 제공합니다(그림 8). 이 2접점 버전 이외에 무접점 및 4접점 버전도 있습니다.

그림 8: ANSI 호환 FLA-2141-30 조광 리셉터클은 사용자 공급 조광기와 조명 기구(luminaire) 간 연결을 제공합니다. 이 장치는 사용 가능한 주변광에 의해 제어되는 스마트 조명용입니다(4접점 변형이 표시됨). (이미지 출처: Amphenol)

보다 개선된 센서 통합을 위해 광전지 대신 FLB-P 베이스를 추가할 수 있습니다. 이를 통해, 동작 감지, 공기질, 소리 감지와 같은 기타 다양한 기능을 위한 센서를 갖춘 PC 기판을 추가할 수 있습니다. 이제 FLB-C 돔 커버를 추가하여 이 완전한 조립품을 보호할 수 있습니다. 참고: 이 장치는 실내용으로 고안되지 않았습니다. Amphenol은 또한 FLB-P 베이스와 함께 사용할 수 있도록 설계된, 반지름 76mm 및 높이 130mm의 FLB-C70-501-001 돔(NEMA ANSI C136.41 반투명 커버)를 제공합니다.

FLA 계열 조광 리셉터클은 ANSI C136.10 호환 광전지 또는 캡(개방 회로 또는 단락 회로)와 함께 사용할 수 있습니다. 설계자가 추가적인 센서 통합을 원하는 경우 다음이 필요합니다.

• FLA 리셉터클
• FLB-P 베이스
• 센서를 갖춘 PC 기판
• FLB-C 보호 돔

마지막으로 FLS-SB80-02 조명 기구(luminaire) 확장 모듈(80mm)을 사용하면 FLA 계열 리셉터클 위로 조광 조립품을 리프팅하여 조광 모듈과 센서 모듈을 연결할 수 있습니다.

결론

LED 기반 조명은 산업, 상업, 주거 환경의 실내 및 실외 조명을 극적으로 전환시켰습니다. 이 장치는 조명 기구(luminaire) 구성에서 완벽에 가까운 조합을 제공합니다. LED 디자인인을 간소화하고 가속화하기 위해 Amphenol ICC의 다양한 커넥터 제품군은 실내, 실외, IP67 요구 사항을 충족하는 동시에 Zhaga 산업 표준을 준수하므로 시스템 호환성 및 상호 운용성을 개선할 수 있습니다.

추가 참조 자료:

1. Amphenol LED Lighting Products: Commercial / Industrial Lighting, Indoor & Outdoor
2. Zhaga Book 20 Compliant FLM Series | Datasheet Preview