تكنولوجيا الأنابيب الضوئية وتطبيقاتها

قد تبدو الأنابيب الضوئية بسيطة، لكنها تؤدي دورًا حاسمًا في تصميم المعدات الإلكترونية؛ حيث يمكن أن يؤدي استخدامها إلى تبسيط تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وتسهيل مهمة مهندس العوامل البشرية، والسماح بتصميم أكثر إحكامًا.

سيناقش هذا المقال وظيفة الأنابيب الضوئية والتقنية الكامنة وراءها والفيزياء الأساسية والخيارات والخيارات المتاحة لمصمم المعدات.

ما هو الأنبوب الضوئي؟

الأنبوب الضوئي هو قضيب بلاستيكي شفاف صلب أو ألياف بصرية تستخدم لنقل الضوء من مصباح LED مثبت على اللوحة إلى موقع آخر حيث يمكن مشاهدته بسهولة، مثل لوحة مؤشر لوحدة إلكترونية.

وهي توفر العديد من الفوائد، بما في ذلك مؤشر الحالة النظيفة وهندسة العوامل البشرية الأبسط. لا يتطلب مسار الضوء غير الموصِّل للضوء أي لحام أو وصلات معقوصة ويزيل احتمال حدوث قصور كهربائي بسبب الأسلاك المضغوطة؛ فلا حاجة إلى وصلات لحام أو وصلات معقوصة.

تعتبر أنابيب الضوء من المكونات الهامة في العديد من التطبيقات الإلكترونية الحديثة. وتُعد إضافة أنبوب الضوء حلاً فعالاً من حيث التكلفة للمساعدة في التخلص من العديد من الخطوات اللازمة لنقل الضوء من مكان إلى آخر.

كيف يتم استخدامها؟

الأنابيب الخفيفة لها تطبيقات في مختلف الصناعات.

اعتمادًا على المعدات وتصميم واجهة المستخدم الخاصة بالجهاز، يمكن أن يتطلب المنتج أكثر من مؤشر واحد - وحتى العديد من المؤشرات. بالنسبة للتصميمات التي تتطلب مؤشرات متعددة، تعتبر الأنابيب الضوئية حلاً مثاليًا نظرًا لانخفاض تكلفتها وتواصلها البصري الممتاز ومرونة تصميمها.

كيفية عملها

يتم وضع أنبوب الضوء بالقرب من مصدر ضوء LED على أحد طرفي لوحة PCB. وتساعد موادها ذات الدرجة البصرية على نقل أشعة الضوء إلى الوجهة المطلوبة، وعادةً ما تكون في واجهة المستخدم في الجهاز. وتنقل أنابيب الضوء ما يقرب من 80 إلى 90 في المئة من الضوء من مصدر LED، اعتمادًا على التصميم والتباعد. وكلما اقتربت أنابيب الضوء من مصباح (مصابيح) LED، زادت كفاءة نقل الضوء. بالطبع، يجب أن يكون أنبوب (أنابيب) الإضاءة المستخدمة مصنفة لنفس كمية الحرارة التي ينتجها مصباح LED أو مصدر الضوء، لذلك يجب أن يكون ذلك أحد اعتبارات التصميم أيضًا التي يمكن أن تملي الحد الأدنى للمسافة المسموح بها بين أنبوب الضوء ومصدر الضوء.

فئات الأنابيب الخفيفة

يشيع استخدام نوعين من الأنابيب الخفيفة: الأنابيب الصلبة والمرنة.

ما هو أنبوب الضوء الصلب؟

ما هو أنبوب الضوء المرن؟

يُفضل استخدام أنبوب الضوء المرن عندما يجب نقل الضوء لمسافات أطول أو حول العوائق بين الصمام الثنائي الباعث للضوء واللوحة الأمامية أو موقع عرض آخر. تتكون مجموعة أنابيب الإضاءة المرنة من محول يوفر نزيفًا ضوئيًا أقل أو لا يوفر أي نزيف ضوئي وألياف بصرية مرنة مع غطاء عدسة. أنابيب الإضاءة المرنة محصنة ضد التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) ولا تقوم بتوصيل أو نقل نبضات التفريغ الكهروستاتيكي (ESD).

الأنابيب الضوئية المرنة أكثر تعقيدًا وأكثر تكلفة من الأنابيب الضوئية الصلبة؛ فهي تحل تحديات إمكانية الوصول للمهندسين من خلال منحهم المرونة لتجاوز المكونات الموجودة على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) التي تمنع الوصول بخط مستقيم إلى منطقة الإشارة على اللوحة الأمامية.

يوضح الشكل 5 الأجزاء المختلفة لتصميم أنبوب الضوء المرن. وتتكون المكونات من الصمام الثنائي الباعث للضوء عند النقطة A؛ ومحول SMD-22 الذي يضمن عدم تسرب الضوء إلى أنبوب مجاور؛ وألياف ضوئية بلاستيكية (POF)؛ وغطاء عدسة عند النقطة B ملتصق بالأنبوب الضوئي المرن.

تجعل أنابيب الإضاءة المرنة من السهل إضافة مؤشرات إضافية أو استبدال مجموعة تالفة لأن غطاء العدسة عند النقطة (ب) يمكن أن يكون على بعد 330 قدمًا من مصدر ضوء LED عند النقطة (أ). يحتاج أنبوب الضوء والعدسة إلى مساحة أقل بكثير بالقرب من وجه اللوحة من LED ودوائره. إذا وجد مهندس العوامل البشرية ضرورة وجود مؤشر آخر وكانت المساحة تمثل مشكلة، فيمكن تجنب إعادة تصميم كبير بإضافة مؤشر آخر بمحول مرن موجه من مصباح LED آخر قد يكون في موقع مختلف تمامًا عن مصباح LED الأول. إن اقتران وقت التصميم ومساحة التصميم يحسن بشكل جذري من مخاوف التكلفة في مجموعة متنوعة من الصناعات والتطبيقات. تعمل خمسة ألوان مختلفة لغلافات POF على تحسين التركيب والتعرف البصري في الميدان من قبل الفنيين، بالإضافة إلى توضيح المراجع في كتيبات المستخدم.

مقارنة بين الأنواع الصلبة والمرنة

توفر لك أنابيب الإضاءة الصلبة والمرنة خيارين متميزين. لكل منهما مزايا وعيوب. فيما يلي بعض الإرشادات لمساعدتك على الاختيار الصحيح.

اعتبارات التصميم لاستخدام الأنابيب الخفيفة

يجب على مهندس التصميم أن يولي اهتمامًا وثيقًا لإقران أنبوب الضوء ومصباح LED لتقليل فقدان الضوء وضمان أفضل أداء. يجب أن يتطابق الدايود المبتعث للضوء بفعالية مع مدخل أنبوب الضوء للسماح بالتقاط الضوء المناسب بأقل قدر من فقدان الضوء.

بالطبع، يمكن أن يؤثر موضع أنبوب الضوء على خصائص الضوء. ولتقليل فقدان الضوء إلى الحد الأدنى، فإن القاعدة العامة هي استخدام مصباح LED بزاوية رؤية ضيقة تبلغ 160 درجة أو أقل ووضع أنبوب الضوء ومصابيح LED على مسافة لا تزيد عن 0.05 بوصة. هناك ما هو أكثر من ذلك بقليل للحصول على أفضل منتج لتصميمك. وهنا يأتي دور المحاكاة الضوئية. اتصل بفريقنا لإجراء محاكاة وتحديد أنبوب الإضاءة المثالي لتصميمك. ولا تنسَ القيود التي قد تكون لديك بناءً على نوع أنبوب الإضاءة الذي تستخدمه: قيود تصميم الأنابيب الخفيفة الصلبة لا يمكن ثني حدود الطول: مقاس الضغط: 1.20 بوصة مخصص: 1.5 بوصة قياسي: حتى 2 بوصة مع توفر إصدارات أقصر قيود تصميم الأنابيب الضوئية المرنة انحناءات تصل إلى 30 درجة

أهمية تقليل نزيف الضوء

يحدث النزيف الضوئي عندما يكون الضوء المنبعث من الصمام الثنائي الباعث للضوء مرئيًا حول الصمام الثنائي الباعث للضوء ومنطقة أنبوب الضوء. يتسبب نزيف الضوء في حدوث قراءات خاطئة وألوان صامتة ومختلطة، وتداخل بين أنابيب الضوء المتجاورة، وتوهج غير مرغوب فيه في الضميمة. عندما يتم وضع أنبوب إضاءة صلب فوق الصمام الثنائي الباعث للضوء، فإنه يسمح بقدر معين من نزيف الضوء عند قاعدة أنبوب الإضاءة. تم تصميم أنبوب الضوء المرن لتوفير قدر أقل من نزيف الضوء باستخدام ألياف ضوئية مغلفة ومحول أسود مقاوم للضوء.

تحدث أقصى قدر من المرونة عندما يتمكن المصمم من الاختيار بين التصميم بمكونات فردية (LED وأنبوب الإضاءة) أو استخدام حل كامل يتضمن كلا العنصرين.

تم تصميم أنابيب الإضاءة لنقل الضوء من النقطة A إلى النقطة B بأكبر قدر ممكن من الفعالية.

النقطة أ: حيث يوجد المدخل أو مصدر الضوء. في معظم الحالات، يكون هو الصمام الثنائي الباعث للضوء (SMD) المثبت على السطح.

النقطة (ب) سطح الخروج، أو المكان الذي يرى فيه المستخدم النهائي الضوء في الواجهة أو لوحة المؤشرات الخاصة بالجهاز.

يحدث فقدان الضوء، أو نزيف الضوء، عندما يهرب بعض الضوء الذي ينتقل من النقطة A إلى النقطة B أو يضيء في مكان آخر، وبالتالي يتوفر ضوء أقل ليسطع في نقطة الخروج.

لتقليل كمية الضوء المفقود، يمكن للمصممين استخدام مصباح LED بزاوية رؤية ضيقة بدلاً من مصباح LED بزاوية رؤية واسعة للمساعدة في تقريب المسافة بين أنبوب الضوء ومصباح LED حيث يمكن أن يتسرب الضوء. وكلما اتسعت الفجوة بين أنبوب الضوء والصمام الثنائي الباعث للضوء، زادت مساحة الضوء التي يمكن أن يهرب منها الضوء قبل دخوله إلى أنبوب الضوء وانتقاله إلى نقطة الخروج.

ملاحظة: سيكون هناك دائمًا مستوى معين من الضوء الذي يضيع أثناء انتقاله من مكان وجود الصمام الثنائي الباعث للضوء ونقطة الخروج حيث يرى المستخدم النهائي الضوء.

المواصفات والخيارات الرئيسية

بغض النظر عن نوع أنبوب الإضاءة الذي يتم اختياره، هناك العديد من الخيارات المتاحة لتحسين التصميم.

فهم خيارات LED الخاصة بك

يتم تركيب مصباح LED المثبت على السطح (SMD) على سطح ثنائي الفينيل متعدد الكلور ولا يحتاج إلى ثقوب. يتم تركيب مصابيح الدايود المبتعث الضوئي (LED) من خلال إدخال خيوط من خلال ثقب ثنائي الفينيل متعدد الكلور واللحام لتوفير وصلة أقوى بين الطبقات، والتي يمكنها أيضًا تحمل بعض ظروف الإجهاد البيئي. تميل مصابيح LED SMD إلى أن تكون أصغر حجمًا وأكثر سطوعًا من المكافئ العابر للثقب. وتتوفر كل من مصابيح الدايودات الثنائية الباعثة للضوء (LED) من خلال الثقب ومصابيح الدايودات الثنائية الباعثة للضوء (SMD) في مجموعة كبيرة من الأحجام والألوان والقدرة الكهربائية الأقل.

لون الصمام الثنائي الباعث للضوء LED. تتوفر مصابيح SMD LED ومصابيح الدايود المبتعث للضوء SMD ومصابيح الدايود المبتعث للضوء من خلال ثقب في مجموعة واسعة من الألوان المفردة. وتتوفر مصابيح الدايود المبتعث للضوء SMD بخيارات إضافية، بما في ذلك الأبيض أو الأحادي أو ثنائي اللون أو ثلاثي اللون، في مجموعة من تكوينات الألوان. تتوفر محولات الأنابيب الضوئية للاستخدام مع كلا النوعين من مصابيح LED. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للمصمم اختيار محول مزود بمصباح LED مدمج أو محول مخصص للاستخدام مع مصباح LED منفصل.

حجم الصمام الثنائي الباعث للضوء LED. تستند مصابيح LED المثبتة على السطح إلى أحجام قياسية في الصناعة، أما مصابيح LED المثبتة عبر الفتحات فتكون أحجامها بالمليمترات (1.8 مم، 3 مم، 5 مم). على سبيل المثال، تستند حزمة 0402 (SM0402) إلى أبعاد تقريبية (الطول × العرض) بطول 0.4 مم وعرض 0.2 مم تقريبًا.

شدة الصمام الثنائي الباعث للضوء LED. يُقاس عادةً ناتج الضوء (شدة السطوع) لمصابيح LED SMD ومصابيح LED ذات الفتحات العابرة، بالملليكانديلا (mcd) أو اللومن (lm). كلما زاد تصنيف mcd أو lm، زادت شدة الضوء.

كل شيء عن العدسات

يتم تركيب العدسة أو تشكيلها على طرف الأنبوب الضوئي؛ فهي توفر مؤشرًا مرئيًا مناسبًا وتحمي أيضًا الأنبوب الضوئي من الاضطراب الميكانيكي. بعض معلمات العدسة هي:

ملف تعريف العدسة. تم تصميم عدسة Fresnel لتركيز الضوء وتوفر تظليلًا ووهجًا أقل وزاوية رؤية واسعة. تُستخدم أيضًا عدسة مسطحة بسيطة أو عدسة قبة لزيادة زاوية الرؤية.

لون العدسة. تتوفر خيارات العدسات الموزعة والمدخنة والملونة (أزرق، أسود، أخضر، أخضر، رمادي، أحمر، أصفر)، حسب الطراز.

حجم العدسة وشكلها. تتوفر مجموعة متنوعة من أحجام العدسات، بما في ذلك أقطار 2 مم و3 مم و4 مم و5 مم. وتتوفر أشكال مستديرة وبيضاوية ومستطيلة.

حشية مانعة للتسرب وتصنيف IP

يجب أن تعمل التطبيقات في العديد من الصناعات في بيئات قاسية حيث يكون من الضروري أن يكون غطاء العدسة محكم الإغلاق بشكل مناسب ضد العناصر باستخدام تصنيف IP. يشير تصنيف IP الخاص بغطاء العدسة إلى مستوى الحماية الذي يوفره ضد تغلغل المواد الصلبة، بما في ذلك الغبار والسوائل، بما في ذلك الرطوبة أو الماء. يتم التعبير عن تصنيف IP بالصيغة "IPXY"، حيث X و Y قيم رقمية.

يشير الرقم الأول في تصنيف IP إلى مستوى الحماية من دخول الأجسام الصلبة: من IP0x (بدون حماية) إلى IP6x (حماية كاملة ضد الغبار). يشير الرقم الثاني إلى الحماية من السوائل: من IPx0 (بدون حماية) إلى IPx9 (حماية ضد نفاثات الماء).

المكونات المتعلقة بالأنابيب الخفيفة

يتضمن تصميم أنبوب الإضاءة أكثر من مجرد مصباح LED وأنبوب وعدسة. هناك حاجة إلى مكونات إضافية لتكوين نظام كامل، وهناك عدة خيارات لكل منها.

نوع التركيب

هناك خيارات تركيب متنوعة لأنابيب الإضاءة اعتمادًا على التطبيق ومتطلبات التصنيع.
إذا كانت المرنة والصلبة هي الخيارات الوحيدة، فقد تكون خياراتك محدودة. تم تصميم أنابيب الإضاءة لاستيعاب مجموعة واسعة من أنواع التركيب.
بالإضافة إلى قرار التثبيت الصلب مقابل المرن، هناك العديد من الاعتبارات الأخرى عند اختيار أنبوب الإضاءة لتصميمك. يمكن أن يحدد مصدر الطاقة الخاص بك وبصمة التصميم العام نوع التركيب الذي يجب أن تستخدمه مع أنبوب الإضاءة الخاص بك.