تكنولوجيا الأنابيب الضوئية وتطبيقاتها

قد تبدو أنابيب الضوء بسيطة، لكنها تؤدي دورًا حاسمًا في تصميم المعدات الإلكترونية؛ حيث يمكن أن يؤدي استخدامها إلى تبسيط تخطيط لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، وتسهيل مهمة مهندس العوامل البشرية، والتمكين من تصميم أكثر إحكاما.

ستتناول هذه المقالة وظيفة أنابيب الضوء، والتكنولوجيا التي تقوم عليها، والظواهر الفيزيائية الكامنة وراءها، بالإضافة إلى الخيارات المتاحة لمصممي المعدات.

ما هو أنبوب الضوء؟

أنبوب الضوء هو قضيب بلاستيكي صلب شفاف أو ليف ضوئي يُستخدم لنقل الضوء من مصباح LED مُثبَّت على لوحة إلى موقع آخر حيث يمكن رؤيته بسهولة، مثل لوحة المؤشرات في وحدة إلكترونية.

وهي توفر العديد من المزايا، بما في ذلك مؤشر واضح للحالة، وتصميم هندسي أبسط يراعي العوامل البشرية. ولا يتطلب مسار الضوء غير الموصّل أي لحام أو أطراف مكبسة، كما يمنع احتمال حدوث قصر كهربائي بسبب انضغاط الأسلاك؛ ولا توجد حاجة إلى أي لحام أو أطراف مكبسة.

تُعد أنابيب الضوء مكونات أساسية في العديد من التطبيقات الإلكترونية الحديثة. وتُعد إضافة أنبوب ضوء حلاً فعالاً من حيث التكلفة للمساعدة في التخلص من العديد من الخطوات التي كانت ستكون مطلوبة لولا ذلك لنقل الضوء من مكان إلى آخر.

كيف يتم استخدامها؟

تُستخدم أنابيب الضوء في مجالات متنوعة.

اعتمادًا على المعدات وتصميم واجهة المستخدم الخاصة بالجهاز، قد يتطلب المنتج أكثر من مؤشر واحد — وقد يصل العدد إلى العديد من المؤشرات. وبالنسبة للتصاميم التي تتطلب مؤشرات متعددة، تُعد أنابيب الضوء حلاً مثاليًّا نظرًا لتكلفتها المنخفضة، وقدرتها الممتازة على التواصل البصري، ومرونتها التصميمية.

كيف تعمل

يتم وضع أنبوب ضوئي على مسافة قريبة جدًّا من مصدر ضوء LED في أحد طرفي لوحة PCB. وتساعد المواد ذات الجودة البصرية المستخدمة في صنعه على توجيه أشعة الضوء إلى الوجهة المطلوبة، والتي عادةً ما تكون واجهة المستخدم الخاصة بالجهاز. تنقل أنابيب الضوء ما يقارب 80 إلى 90 في المائة من الضوء الصادر عن مصدر LED، اعتمادًا على التصميم والمسافة الفاصلة. وكلما اقتربت أنابيب الضوء من مصابيح LED، زادت كفاءتها في نقل الضوء. وبطبيعة الحال، يجب أن تكون الأنابيب الضوئية المستخدمة مصنفة لتحمل نفس كمية الحرارة التي ينتجها مصباح LED أو مصدر الضوء، لذا يجب أن يكون ذلك أحد الاعتبارات التصميمية التي تحدد الحد الأدنى للمسافة المسموح بها بين الأنبوب الضوئي ومصدر الضوء.

فئات أنابيب الضوء

يُستخدم نوعان من أنابيب الضوء بشكل شائع: الأنابيب الصلبة والأنابيب المرنة.

ما هو أنبوب الضوء الصلب؟

ما هو أنبوب الضوء المرن؟

يُفضل استخدام أنبوب ضوئي مرن عندما يتعين نقل الضوء لمسافات أطول أو حول عوائق تقع بين مصباح LED واللوحة الأمامية أو أي موقع عرض آخر. تتكون مجموعة أنابيب الضوء المرنة من محول، يقلل من تسرب الضوء أو يمنعه تمامًا، وألياف ضوئية مرنة مزودة بغطاء عدسة. تتميز أنابيب الضوء المرنة بمقاومتها للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI) ولا توصل أو تنقل نبضات التفريغ الكهروستاتيكي (ESD).

تُعد أنابيب الضوء المرنة أكثر تعقيدًا وأغلى ثمناً من الأنابيب الصلبة؛ فهي تحل مشكلات الوصول التي يواجهها المهندسون من خلال منحهم المرونة اللازمة لتجاوز المكونات الموجودة على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) التي تحول دون الوصول في خط مستقيم إلى منطقة العرض على اللوحة الأمامية.

يوضح الشكل 5 الأجزاء المختلفة لتصميم أنبوب ضوئي مرن. وتتألف المكونات من مصباح LED عند النقطة (أ)؛ ومحول SMD-22 الذي يضمن عدم تسرب الضوء إلى الأنبوب المجاور؛ وألياف بصرية بلاستيكية (POF)؛ وغطاء عدسة عند النقطة (ب) ملتصق بالألياف البصرية البلاستيكية.

تسهّل أنابيب الضوء المرنة إضافة مؤشرات إضافية أو استبدال وحدة تالفة، لأن غطاء العدسة عند النقطة (ب) يمكن أن يبعد ما يصل إلى 330 قدمًا عن مصدر ضوء LED عند النقطة (أ). وتحتاج أنبوب الضوء والعدسة إلى مساحة أقل بكثير بالقرب من واجهة اللوحة مقارنةً بمصباح LED ودوائه الكهربائية. إذا وجد مهندس العوامل البشرية أن هناك حاجة إلى مؤشر آخر وكانت المساحة تشكل مشكلة، فيمكن تجنب إعادة تصميم كبيرة عن طريق إضافة مؤشر آخر باستخدام محول مرن موصول بمصباح LED آخر قد يكون في موقع مختلف تمامًا عن المصباح الأول. إن الجمع بين وقت التصميم ومساحة التصميم يحسّن بشكل جذري من المخاوف المتعلقة بالتكلفة في مجموعة متنوعة من الصناعات والتطبيقات. تعمل الألوان الخمسة المختلفة لغلاف أنبوب الضوء البصري (POF) على تحسين عملية التركيب والتعرف البصري في الميدان من قِبل الفنيين، فضلاً عن توضيح المراجع في أدلة المستخدم.

مقارنة بين الأنواع الصلبة والمرنة

توفر لك أنابيب الضوء الصلبة والمرنة خيارين متميزين. ولكل منهما مزايا وعيوب. وفيما يلي بعض الإرشادات التي تساعدك على اتخاذ القرار الصحيح.

اعتبارات التصميم المتعلقة باستخدام أنابيب الضوء

يجب على مهندس التصميم أن يولي اهتمامًا كبيرًا لمطابقة أنبوب الضوء ومصباح LED من أجل تقليل فقدان الضوء إلى أدنى حد وضمان أفضل أداء. يجب أن يتوافق مصباح LED بشكل فعال مع مدخل أنبوب الضوء لضمان التقاط الضوء بشكل سليم مع الحد الأدنى من فقدان الضوء.

وبطبيعة الحال، يمكن أن يؤثر موضع أنبوب الضوء على خصائص الضوء. ولتقليل فقدان الضوء إلى أدنى حد، تتمثل القاعدة العامة في استخدام مصباح LED بزاوية رؤية ضيقة تبلغ 160 درجة أو أقل، مع وضع أنبوب الضوء ومصباح LED على مسافة لا تزيد عن 0.05 بوصة بينهما. ولكن الأمر لا يقتصر على ذلك فحسب للحصول على أفضل منتج لتصميمك. وهنا يأتي دور محاكاة الإضاءة. اتصل بفريقنا لإجراء محاكاة وتحديد أنبوب الضوء المثالي لتصميمك. ولا تنسَ القيود التي قد تواجهها بناءً على نوع أنبوب الضوء الذي تستخدمه: القيود التصميمية للأنابيب الضوئية الصلبة لا يمكن ثنيها. حدود الطول: التثبيت بالضغط: 1.20 بوصة؛ حسب الطلب: 1.5 بوصة؛ قياسي: حتى 2 بوصة، مع توفر إصدارات أقصر القيود المتعلقة بتصميم أنابيب الضوء المرنة ينحني بزاوية تصل إلى 30 درجة

أهمية الحد من تسرب الضوء

يحدث تسرب الضوء عندما يكون ضوء مصباح LED مرئيًا حول المصباح ومنطقة أنبوب الضوء. ويؤدي تسرب الضوء إلى قراءات خاطئة، وألوان باهتة ومختلطة، وتداخل بين أنابيب الضوء المتجاورة، وتوهج غير مرغوب فيه داخل العلبة. عندما يتم وضع أنبوب ضوئي صلب فوق مصباح LED، فإنه يسمح بحد معين من تسرب الضوء عند قاعدة الأنبوب الضوئي. أما الأنبوب الضوئي المرن، فقد صُمم لتقليل تسرب الضوء بفضل الألياف البصرية المطلية والمحول الأسود المقاوم للضوء.

تتحقق أقصى درجة من المرونة عندما يكون بإمكان المصمم الاختيار بين التصميم باستخدام مكونات منفصلة (مصابيح LED وأنابيب الضوء) أو استخدام حل متكامل يشمل كلا العنصرين.

صُممت أنابيب الضوء لنقل الضوء من النقطة «أ» إلى النقطة «ب» بأكبر قدر ممكن من الفعالية.

النقطة أ: المكان الذي يوجد فيه المدخل أو مصدر الضوء. وفي معظم الحالات، يكون ذلك مصباح LED المُركَّب على السطح (SMD).

النقطة ب: سطح الخرج، أو المكان الذي يرى فيه المستخدم النهائي الضوء على واجهة الجهاز أو لوحة المؤشرات.

يحدث فقدان الضوء، أو تسرب الضوء، عندما يتسرب جزء من الضوء المتجه من النقطة «أ» إلى النقطة «ب» أو ينعكس في مكان آخر، مما يؤدي إلى انخفاض كمية الضوء المتوفرة عند نقطة الخروج.

لتقليل مقدار فقدان الضوء إلى أدنى حد، يمكن للمصممين استخدام مصباح LED ذي زاوية رؤية ضيقة بدلاً من المصباح ذي زاوية الرؤية الواسعة، وذلك للمساعدة في تقليص المسافة بين أنبوب الضوء ومصباح LED، حيث قد يتسرب الضوء. فكلما اتسعت الفجوة بين أنبوب الضوء ومصباح LED، زادت المساحة المتاحة لتسرب الضوء قبل أن يدخل أنبوب الضوء وينتقل إلى نقطة الخروج.

ملاحظة: سيكون هناك دائمًا قدر معين من الضوء الذي يُفقد أثناء انتقاله من المكان الذي يوجد فيه مصباح LED إلى نقطة الخروج التي يرى فيها المستخدم النهائي الضوء.

المواصفات والخيارات الرئيسية

بغض النظر عن نوع أنبوب الضوء الذي يتم اختياره، هناك خيارات متعددة متاحة لتحسين التصميم.

تعرف على خيارات مصابيح LED المتاحة لك

يتم تثبيت مصباح LED من نوع التثبيت السطحي (SMD) على سطح لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) ولا يتطلب ثقوبًا. أما مصابيح LED ذات الثقوب المارة، فيتم تثبيتها عن طريق إدخال أسلاكها عبر لوحة الدوائر المطبوعة ولحامها لتوفير اتصال أقوى بين الطبقات، وهو ما يتيح لها أيضًا تحمل بعض الظروف البيئية القاسية. وعادةً ما تكون مصابيح LED من النوع SMD أصغر حجمًا وأكثر سطوعًا من نظيرتها من النوع المثبت عبر الثقوب. وتتوفر كل من مصابيح LED المثبتة عبر الثقوب ومصابيح LED من النوع SMD بمجموعة واسعة من الأحجام والألوان ودرجات السطوع، وبقدرات كهربائية منخفضة.

لون مصباح LED. تتوفر مصابيح LED من نوع SMD و"ثرو-هول" في مجموعة واسعة من الألوان الفردية. وتتميز مصابيح LED من نوع SMD بخيارات إضافية، بما في ذلك اللون الأبيض أو الألوان الفردية، وثنائية الألوان، وثلاثية الألوان، ضمن مجموعة متنوعة من تكوينات الألوان. تتوفر محولات أنابيب الضوء للاستخدام مع كلا النوعين من مصابيح LED. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمصمم اختيار محول مزود بمصباح LED مدمج أو محول مصمم للاستخدام مع مصباح LED منفصل.

حجم مصابيح LED. تستند مصابيح LED المثبتة على السطح إلى الأحجام القياسية في الصناعة، أما مصابيح LED المثبتة عبر الثقوب فتُقاس أحجامها بالمليمترات (1.8 مم، 3 مم، 5 مم). على سبيل المثال، تستند حزمة 0402 (SM0402) إلى أبعاد تقريبية (الطول × العرض) تبلغ حوالي 0.4 مم طولًا و0.2 مم عرضًا.

شدة إضاءة مصابيح LED. يُقاس ناتج الضوء (شدة السطوع) لمصابيح LED من نوع SMD ومصابيح LED ذات الثقوب المارة عادةً بوحدة الميليكانديل (mcd) أو اللومن (lm). وكلما ارتفعت قيمة الميليكانديل أو اللومن، زادت شدة السطوع.

كل ما يتعلق بالعدسات

يتم تثبيت العدسة أو تشكيلها على طرف أنبوب الضوء؛ وهي توفر مؤشرًا بصريًّا ملائمًا، كما تحمي أنبوب الضوء من التلف الميكانيكي. وفيما يلي بعض معلمات العدسة:

مواصفات العدسة. صُممت عدسة فريسنل لتركيز الضوء، وتتميز بتقليل الظلال والوهج، فضلاً عن زاوية رؤية واسعة. كما تُستخدم عدسة مسطحة بسيطة أو عدسة مقببة لزيادة زاوية الرؤية.

لون العدسة. تتوفر خيارات العدسات الشفافة والمدخنة وذات الألوان المختلفة (الأزرق، الأسود، الأخضر، الرمادي، الأحمر، الأصفر)، حسب الطراز.

حجم العدسة وشكلها. تتوفر العدسات بأحجام متنوعة، بما في ذلك أقطار 2 مم و3 مم و4 مم و5 مم. كما تتوفر بأشكال دائرية وبيضاوية ومستطيلة.

حشية مانعة للتسرب وتصنيف IP

يجب أن تعمل التطبيقات في العديد من الصناعات في بيئات قاسية، حيث يُعد من الضروري أن يكون غطاء العدسة محكم الإغلاق بشكل مناسب لحمايته من العوامل الخارجية باستخدام تصنيف IP. يشير تصنيف IP لغطاء العدسة إلى مستوى الحماية التي يوفرها ضد دخول المواد الصلبة، بما في ذلك الغبار، والسوائل، بما في ذلك الرطوبة أو الماء. ويُعبر عن تصنيف IP بالصيغة “IPXY”، حيث يمثل X وY قيمتين عدديتين.

يشير الرقم الأول في تصنيف IP إلى مستوى الحماية من دخول الأجسام الصلبة: بدءًا من IP0x (لا توجد حماية) وحتى IP6x (حماية كاملة من الغبار). أما الرقم الثاني فيشير إلى الحماية من السوائل: بدءًا من IPx0 (لا توجد حماية) وحتى IPx9 (حماية من نفاثات الماء).

المكونات المتعلقة بأنابيب الضوء

لا يقتصر تصميم أنبوب الضوء على مصباح LED والأنبوب والعدسة فحسب. فهناك مكونات إضافية لازمة لتكوين نظام كامل، وتوجد خيارات عديدة لكل منها.

نوع التثبيت

تتوفر خيارات تركيب متنوعة لأنابيب الضوء، وذلك وفقًا للاستخدام المطلوب ومتطلبات التصنيع.
لو كانت الخيارات المتاحة تقتصر على الأنواع المرنة والصلبة فقط، لكان خياراتك محدودة. وقد صُممت أنابيب الضوء لتتوافق مع مجموعة واسعة من أنواع التركيب.
بالإضافة إلى الاختيار بين النمط الصلب والنمط المرن، هناك عدة اعتبارات أخرى يجب أخذها في الحسبان عند اختيار أنبوب الضوء المناسب لتصميمك. فقد يحدد مصدر الطاقة والمساحة الإجمالية للتصميم نوع التثبيت الذي ينبغي عليك استخدامه مع أنبوب الضوء.