屋内および屋外LED照明向けの新規格コネクタの理解と応用

発光ダイオード（LED）は、屋内外の照明に革命を起こしました。このソリッドステート照明（SSL）技術の効率性、制御性、カラースペクトル、熱性能、固有のフォームファクタは、由緒あるエジソンの白熱電球（蛍光灯、メタルハライドランプ、ナトリウム蒸気ランプも同様）を主役の座から降ろすのに一役買いました。現在では、屋内外のほとんどの新規設計または既存設計の更新の際に、LEDが最初に考慮されています。それでも、設計者には注意が必要です。急速な技術革新に伴って、標準外の接続やエンドユーザーソリューションとの不一致などの落とし穴が発生し、そのすべてが顧客体験を損なう原因になります。

根本的に変化しているのは、光源そのものだけではありません。たとえば、LEDベースの照明は、あらゆる照明システムに必要な部分であるコネクタの設計やフォームファクタ、およびその器具（ルミネアと呼ばれる）も変化させています。これらのコネクタはACライン電圧を供給しません。その代わりに、通常3Aから7Aの範囲の電流で低電圧DCを供給します。さらに、LEDベースの照明システムは多くの場合、DALI（Digital Addressable Lighting Interface）やZhagaの業界標準をサポートする制御ネットワークの一部であり、インテリジェントホームやオフィスの一部として、スマート、省エネ、高性能な照明を実現します。

その結果、新しい設計が急速に出現しているため、LEDベースの照明システムの設計を進める前に、エンジニアは規格に精通し、それらが実際のコネクタにどのように反映されているかを知る必要があります。

この記事では、なぜLEDがこれほどまでに普及したのかを簡単に確認した上で、相互運用性を確保し、迅速な開発を可能にし、スマートなLEDベースの設計を容易に展開することができる2つの接続規格を紹介および解説します。Amphenol ICCのコネクタを紹介し、関連規格の実世界での具体化とその応用として、用途を概説します。

LEDが普及している理由

光源としてのLEDの増加は、以下に示す多くの要因によるものです。

• 低コストであるため販売数量が増加した結果、さらに低コストになり販売数量がさらに増加
• 光源としてのLEDの基本的な信頼性と寿命の向上
• これらのLEDを駆動する電源を中心とした回路の改善
• スマート制御やネットワーク接続されたI/Oを介したLED制御の容易化
• 色温度（ケルビン）と演色評価数（CRI）を特徴とする光出力品質の向上
• 政府のインセンティブ、基準、省エネのための高効率照明の義務化（総エネルギー使用量の15%から20%が照明用と推定される）
• LEDベースの光源間の相互運用性およびスマートコントローラとの互換性を確保するための、業界および政府による規格の開発

特に最後のポイントが重要です。LEDおよび蛍光灯によって（比較的小規模ではあるが）置き換えられている従来の白熱電球の重要な特徴の1つは、米国および他の多くの国の住宅環境で直径26mmのエジソンベースのねじ込み式電球「E26」がほぼ普遍的に使用されていることです（図1）。他にもE12枝付き燭台のようなサイズがありますが、圧倒的にE26の方が多く使われています。

図1：さまざまな用途の要件を満たすためにより小さいものや大きいものもありますが、26mm E26エジソンベースは今のところ最も広く使用されている電球ベースです。（画像提供：LOHAS LED Ltd.）

ベースとソケット1つで標準化することで、もちろんコストを下げることができます。また、切れた電球の長期的な交換に関する懸念を軽減しながら、そのベースを基礎として構築された多くの電球形状、出力レベル、および他の属性の利用可能性も促進します。LED電球の初期世代では、既存のソケットと互換性があるE26ベースを使用して、ユーザーがLED照明に慣れるようにしました。そのようなソケットが現在も無数に使用されており、今後も非常に長い間そのような状況が続くため、これらのE26 LED電球は、今も広く販売されています。

しかし、一般的に120/240ボルトのACを使用して電力が供給されている白熱電球と比較すると、LEDは電流、電圧（DC）、消費電力に関してまったく異なります。また、E26ソケットは配線のネジ端子が比較的大きいことが多く、LEDベースの電源供給には適していません（図2）。したがって、システムレベルから物理的な接続までLEDの可能性を十分に発揮させるためには、新たな規格やコネクタの種類が必要となります。

図2：E26ベースのソケットを配線するために必要な大きなネジ端子は、LEDベースの光源を最大限に活用する際に邪魔になります。（画像提供：Family Handyman via Pinterest）

現代の照明インターフェース規格の必要性を認識し、DiiA（Digital Illumination Interface Alliance）はDALI規格を開発しました。

照明のコネクティビティを再定義するDALI規格

DALIは、堅牢、スケーラブル、柔軟な照明ネットワークを簡単に設置できるデジタル照明制御専用プロトコルです（図3）。最初のバージョンであるDALI-1は、LEDをほとんど考慮しておらず、蛍光灯安定器のデジタル制御、構成、クエリに適していました。それにより、既存の0/1から10ボルトのアナログ制御アプローチの、一方通行のブロードキャストのような単純な運用を置き換えました。

図3：DALI規格の最初のバージョンでは、並列のメインAC電源線によって給電されるすべてのアイテムをつなぐ制御ベースが定義されていました。（画像提供：Omnialed）

この規格にはブロードキャストオプションも含まれており、簡単な再設定で各DALIデバイスに個別のアドレスを割り当てることができ、個々のデバイスのデジタル制御が可能になります。また、DALIデバイスはグループで動作するようにもプログラムできるため、照明システムをソフトウェアで再構成することができ、配線を変更する必要がありません。

LED技術の向上に伴うユーザーの期待の高まりは、現在のDALI-2規格の開発を後押ししました。DALI-2は単なる業界規格ではなく、現在では国際電気標準会議規格（IEC 62386）にもなっています。DALI-2では、多くの新しいコマンドや機能が追加されています。DALI-1には制御モードのみが含まれていましたが、DALI-2では、バス電源だけでなく、アプリケーションコントローラや入力デバイス（例：センサ）などの制御デバイスも対象になっています。異なるベンダの製品の相互運用性に焦点を当てており、DALI-2認証プログラムによってサポートされているため、製品仕様との互換性を確認することができます（図4）。

図4：DALI-2規格は、LEDのニーズをDALI-1よりも大きく考慮しており、新しいコマンドやアップデートも追加されています。（画像提供：DALI Alliance）

あらゆる包括的な規格と同様に、DALI-2は複雑です。簡単に言えば、一対のワイヤがバスとして機能し、DALIネットワーク上の各デバイスに対し個別にアドレスを指定することができます。このバスは信号と電源の両方に使用され、16ボルトDC（標準）で最大250mAを供給する電源に対応します。この規格は、ACラインまたはDCレールから給電されるデバイスをサポートしています。

超低電圧（ELV）を定義するさまざまな規格がありますが、IECでは、導電体とアース（グランド）間の電位がAC50ボルトまたはDC120ボルトを超えないものをELVデバイスまたはELV回路と定義しています。DALI制御ケーブルはELV電位に分類されているため、必要なのはAC電源からの基礎絶縁のみです。それらの電源に沿って、または電源を含むマルチコアケーブル内で使用することができます。

DALI-2を超えて：ルミネアを対象としたZhaga仕様

DALI-2のような規格は重要ですが、限界があります。規格をLED照明やルミネアなどの特定の用途にどのように結び付けるかを定義することは、彼らの権限の範疇ではありません。この問題に対処するために、国際的なZhaga Consortiumは、LEDルミネアに使用されるコンポーネントのインターフェースに関する業界仕様を確立しました。このコンソーシアムはIEEE Industry Standards and Technology Organizationのメンバープログラムで、2019年時点で120以上のメンバーが参加しています。

このあたりで、照明フィクスチャとルミネアの違いをはっきりさせましょう。「ルミネア（luinaire）」という用語は、IES (Illuminating Engineering Society) 照明ハンドブック、ANSI/NEMA規格、IECで使用されています。2002年にNEC（National Electrical Code）ハンドブックに追加され、正式な定義は「ランプまたは複数のランプの集合からなる包括的な照明ユニットであり、光を分配し、ランプを配置および保護し、ランプを電源に接続するために設計された部品により構成される」というものです。ルミネアには、ランプおよび、照明ユニットの配光、位置決め、および保護に直接関連するすべてのコンポーネントが含まれます。厳密には、アーム、コード、またはポールなどの支持コンポーネント、ルミネアを固定するために使用される留め具、制御またはセキュリティデバイス、電源導体は含まれません。ルミネアには多くの形態があり、正確で機能的な屋外の街路照明から屋内のオフィス照明、さらには「流行の」店舗用や家庭用照明まで、幅広い状況に対応しています。

「フィクスチャ」はNECで定義されておらず、一般的にはその言葉の使用者が思い浮かべている物を指しますが、以下の要素のいくつかまたはすべてを含む場合があります。ランプガードを含むランプ（電球）、グローブ、レンズまたはディフューザ、サポート、ポールまたは付属器具、その他の要素。

正式には「Books」と呼ばれるZhagaの仕様は、電気的、機械的、光学的、熱的、通信的なインターフェースに対応しており、コンポーネントの相互運用を可能にします。Zhagaの仕様に準拠することで、相互運用可能で交換やサービスを受けることができるコンポーネントをユーザーが取得し、設置後に新しい技術が利用可能になった場合にLEDルミネアを更新できることを保証できます。

Zhaga Book 18とBook 20は、LEDベースのルミネアを使用している設計者が特に関心を持つ内容になっています。Book 18は屋外の設計、Book 20は屋内の用途に焦点を当てています。

• Zhaga Book 18：「屋外ルミネアとセンシング/通信モジュール間のスマートインターフェース」では、第1.0版で定義されているコネクティビティシステムの機械的な適合度と電気ピンに加えて、電力と通信の側面が規定されています。センサや通信ノードなどのアプリケーションモジュールをLEDルミネアに追加することを簡素化し、プラグアンドプレイの相互運用性を保証します。
• Zhaga Book 20：「屋内ルミネアとセンシング/通信モジュール間のスマートインターフェース」は、屋内LEDルミネアとセンシング/通信ノード間のスマートインターフェースを定義しています。ノードは、LEDドライバおよび制御システムに接続し、一般的には、感覚入力を提供したり、ネットワークコンポーネント間の通信を可能にしたりすることができます。ノードは、現場で配置および交換することができます。

コネクタが回路を完結させる

もちろん、規格は非常に重要であり、互換性と相互運用性の第一歩は物理インターフェースとそのコネクタです（図5）。DALI仕様とZhaga規格の使用は、要件を満たし（そして超え）ながらユーザーにさまざまなシナリオの下で柔軟な運用性を提供する、幅広いコネクタの選択肢によって支えられています。

図5：DALI仕様とZhaga規格は、さまざまな構成において、電源から照明LEDまで電力とデータを供給するためのケーブルとコネクタの包括的なコネクティビティパスを提供します。（画像提供：Amphenol ICC）

屋内向けのZhaga Book 20では、インテリジェントビルネットワークのセンサ用に分離可能な嵌合インターフェースが定義されています。Amphenol ICCのFLMシリーズは、DALI規格に準拠しており、屋内用LEDルミネアやセンサ、通信モジュールのプラグアンドプレイ運用を可能にします。Zhaga Consortiumでは実際に、Zhaga Book 20の標準としてAmphenol FLMシリーズを選択しています。

Amphenol ICCのFLMシリーズのうち2つの補完的な製品が、Book 20規格の実例として挙げられます。FLM-P21-00 SSL 2コンタクトコネクタレセプタクルハウジングは、ピンコンタクトのケーブル/ワイヤからケーブル/ワイヤへの接続用で、FLM-S21-00 2コンタクトSSLプラグハウジングは、ソケットコンタクトのケーブル/ワイヤからケーブル/ワイヤへの接続用です。その他の面実装技術（SMT）モデルは、デザインインの柔軟性を高めるために、直角および垂直構成を特徴としています（図6）。

図6：FLM-P21-00レセプタクルハウジングとFLM-S21-00プラグハウジングは、基本的な2線式SSLコネクタです。（画像提供：Amphenol ICC）

このシリーズには、以下のような特長があります。

• 「ポカヨケ」形状（「間違えようがない」または「失敗しない保証付き」）のセパレート可能なインターフェースにより、正しい嵌合アライメントを保証
• ツールレスのポークイン終端で利用可能なプラグ
• 薄型のディンプルラッチを内蔵し、最小5ニュートンの保持力で確実な嵌合を実現しながらも、簡単に嵌合を解除することが可能
• 圧着ソケットコンタクト（リール）またはポークインワイヤ終端のオプションで利用可能なプラグにより、大量のアセンブリや簡単なフィールドアセンブリ/サービスを実現

もちろん、目的となる多くのLED用途は、通常の屋内のような良いものではありません。FLH-P31-00 2.50mmピッチの3ポジション角型ハウジングレセプタクルおよび対応するFLH-S-31-00角型ハウジングプラグ（図7）を含む、IP67等級（密閉および防水）ワイヤ～ワイヤ間コネクタのFLHシリーズは、このような用途の要件を満たすことができます。また、最大6コンタクトまでのバージョンが提供されています。

図7：IP67等級を必要とするLEDおよびその他のコネクタ用途のために、3線式FLH-P31-00角型ハウジングレセプタクル（左上）と嵌合するFLH-S31-00角型ハウジングプラグ（右上）を備えたFLHシリーズが入手可能です。また、2、3、4、および6ピンバージョンも同様に入手できます。（画像提供：Amphenol ICC）

本シリーズのコネクタは密閉性と防水性に優れているため、特に過酷な環境下での使用に適しており、照明用はもちろん、冷暖房空調設備、産業用、スマートホームなどの用途にも使用できます。また、コンパクトな設計のため省スペースの用途にも適しています。これらのコネクタにおけるコンタクトの定格は、さまざまなワイヤゲージと付随する電流に対応しています。8Aの場合は18米国ワイヤゲージ (AWG)、5Aの場合は20AWG、3Aの場合は22AWGです。

設置に必要なのは、電源コネクタだけではありません。設計プロジェクトを完結させるために、Amphenolは、車道、道路、駐車場用途向けの屋外ルミネアを調光機能用のフォトセルに接続するために使用される、ANSI C136-41準拠のレセプタクルFLA-2141-30など、その他の主要なコンポーネントを提供しています（図8）。この2コンタクトバージョンの他に、コンタクトがないバージョンと4コンタクトのバージョンがあります。

図8：ANSI準拠のFLA-2141-30調光レセプタクルは、ユーザー供給の調光器とルミネアの間の接続を実現します。利用可能な周囲光によって制御されるスマート照明向けです（図は4コンタクトのバリエーション）。（画像提供：Amphenol ICC）

より高度なセンサ統合のために、フォトセルの代わりにFLB-Pベースを追加することができます。これにより、センサ付きのプリント基板を追加して、モーション検知や空気質、音の検出など様々な機能を実現できます。その後、FLB-Cドームカバーを追加することにより、アセンブリ全体を保護することができます。注：屋内での使用を目的としたものではありません。Amphenolはまた、FLB-Pベース用に設計された直径76mm、高さ130mmのNEMA ANSI C136.41半透明カバーであるFLB-C70-501-001ドームも提供しています。

FLAシリーズの調光レセプタクルは、ANSI C136.10準拠のフォトセルまたはキャップとともに使用できます（開回路または短絡）。追加のセンサ統合のために、設計者は以下のものを必要とします。

• FLAレセプタクル
• FLB-Pベース
• センサを搭載したプリント基板
• FLB-C保護ドーム

最後に、FLS-SB80-02ルミネア延長モジュール（80mm）を使用すると、FLAシリーズのレセプタクルの上に調光アセンブリを上げることができ、調光モジュールとセンサモジュールを接続することができます。

結論

LEDベースの照明は、産業用、商業用、住宅用の屋内外のイルミネーションを劇的に変化させました。また、エネルギー効率、長寿命、およびルミネア構成の柔軟性のほぼ完璧な組み合わせを提供します。LEDのデザインインの簡素化と高速化のため、Amphenol ICCのさまざまなコネクタファミリは、屋内、屋外、およびIP67の要件を満たしながら、Zhagaの業界規格も満たすことで、システムの互換性と相互運用性を向上させます。

参考記事：

1. AmphenolのLED照明製品：商業/産業用照明、屋内および屋外用
2. Zhaga Book 20準拠のFLMシリーズ | データシートプレビュー