Lichtleitertechnologie und Anwendungen
Lichtleiter mögen auf den ersten Blick einfach erscheinen, spielen jedoch eine entscheidende Rolle bei der Konstruktion elektronischer Geräte; ihr Einsatz kann das Layout von Leiterplatten vereinfachen, die Arbeit des Ergonomieingenieurs erleichtern und eine kompaktere Bauweise ermöglichen.
In diesem Artikel werden die Funktion von Lichtleitern, die dahinterstehende Technologie, die zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge sowie die Auswahlmöglichkeiten und Optionen für den Geräteentwickler erörtert.
Ein Lichtleiter ist ein fester, transparenter Kunststoffstab oder eine optische Faser, der bzw. die dazu dient, Licht von einer auf einer Platine montierten LED an einen anderen Ort zu leiten, an dem es gut sichtbar ist, beispielsweise auf ein Anzeigepanel eines elektronischen Moduls.
Sie bieten zahlreiche Vorteile, darunter eine klare Statusanzeige und eine vereinfachte Ergonomie. Der nichtleitende Lichtweg erfordert keine Löt- oder Crimpverbindungen und schließt das Risiko von Kurzschlüssen durch eingeklemmte Drähte aus; es sind keine Löt- oder Crimpverbindungen erforderlich.
Lichtleiter sind wichtige Komponenten in vielen modernen elektronischen Anwendungen. Der Einsatz eines Lichtleiters ist eine kostengünstige Lösung, mit der sich viele der Schritte einsparen lassen, die sonst erforderlich wären, um Licht von einem Ort zum anderen zu leiten.
Lichtleiter finden in verschiedenen Branchen Anwendung.
Je nach Ausstattung und Gestaltung der Benutzeroberfläche eines Geräts kann ein Produkt mehr als eine – und bis zu viele – Anzeigen erfordern. Für Designs, die mehrere Anzeigen erfordern, sind Lichtleiter aufgrund ihrer geringen Kosten, ihrer hervorragenden visuellen Kommunikation und ihrer gestalterischen Flexibilität eine ideale Lösung.
Gesundheitswesen
Im Gesundheitswesen ermöglichen LED-Anzeige- und Beleuchtungslösungen entscheidende Designs für Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) in einer Vielzahl von Anwendungen der Medizintechnik.
Zu den medizinischen Anwendungsbereichen von Lichtleitern gehören:
- Technologien für ein vernetztes Leben
- Medizinische Einwegprodukte
- Medizinische Smart-Geräte
- Medizinische Mensch-Maschine-Schnittstelle
Industrielle Automatisierung und Steuerung
Lichtleiter tragen dazu bei, Sicherheit, Zuverlässigkeit und die Einhaltung von Vorschriften in rauen Umgebungen, wie sie beispielsweise in der Industrie vorkommen, zu gewährleisten. Integrierte Anzeige- und Beleuchtungstechnologien verbessern die Überwachung in der Fertigung, um Anlagen vor gefährlichen Bedingungen zu schützen.
Zu den industriellen Anwendungsbereichen zählen
- Steuerungen für Industriemaschinen
- Digitale Fabriken
- Industrie 4.0
- Intelligente Gebäude
Elektrofahrzeuge, autonomes Fahren & Automobilindustrie, Verkehr
Lichtleiter erfüllen die Anforderungen an LED-Anzeigen und -Beleuchtung in diesem rasant wachsenden Markt, der Elektrofahrzeuge und deren Ladeinfrastruktur sowie den nicht-automobilen Verkehrssektor umfasst.
Zu den Anwendungen im Verkehrsbereich gehören:
- Elektrofahrzeuge
- Autonome Fahrzeuge
- Vernetzter Verkehr
- Hybrid- und Elektromobilität
Erneuerbare Energien
Lichtleiter ermöglichen einen zuverlässigen Betrieb unter extremsten Bedingungen. Wasser, extreme Temperaturen und Vibrationen erfordern, dass die Produktkonstruktionen strengen ISO-Richtlinien entsprechen.
Lichtleiter kommen in zahlreichen Bereichen zum Einsatz:
- Windkraft
- Solarenergie
- Gewächshausbetrieb
- Landwirtschaft
Kommunikation
Als Teil der wachsenden Infrastruktur, die die weltweite Vernetzung vorantreibt, leiten Lichtleiter das Licht durch komplexe Systeme: von Servern und Edge-Computing bis hin zu Rechenzentren und der 5G-Systeminfrastruktur.
Beispiele für Anwendungen im Bereich der Kommunikation sind unter anderem:
- Rechenzentren
- Cloud-Computing
- Lagerung
- 5G/IoT
Ein Lichtleiter wird an einem Ende einer Leiterplatte sehr nahe an einer LED-Lichtquelle angebracht. Seine Materialien in optischer Qualität leiten die Lichtstrahlen zum gewünschten Zielort, in der Regel zur Benutzeroberfläche eines Geräts. Lichtleiter übertragen je nach Bauweise und Abstand etwa 80 bis 90 Prozent des Lichts der LED-Quelle. Je näher die Lichtleiter an der/den LED(s) liegen, desto effizienter können sie das Licht übertragen. Natürlich müssen die verwendeten Lichtleiter für die gleiche Wärmelast ausgelegt sein, die von der LED oder Lichtquelle erzeugt wird; dies muss daher ebenfalls bei der Konstruktion berücksichtigt werden und kann den minimal zulässigen Abstand zwischen dem Lichtleiter und der Lichtquelle bestimmen.
Brechungsindex: Das Medium spielt eine Rolle
Licht verhält sich nicht immer gleich, was die Konstruktion von Lichtleitern umso komplexer macht. Warum?
Kehren wir doch mal zum Physikunterricht zurück und lernen etwas über die Lichtbrechung.
Refraktion wird definiert als die Richtungsänderung einer Welle beim Übergang von einem Medium in ein anderes oder aufgrund einer allmählichen Veränderung des Mediums selbst.
Neben all den anderen Variablen, die bei der Konstruktion von Lichtleitern eine Rolle spielen (Größe, Form, Helligkeit, Abstand zur LED, Betrachtungswinkel und verwendetes Material, um nur einige zu nennen), müssen Konstrukteure daher auch den Brechungsindex berücksichtigen.
Der Brechungsindex dient dazu, zu bestimmen, wie schnell sich Licht durch ein Medium ausbreitet.
Berechnet als n = c/v, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und v die Lichtgeschwindigkeit in diesem bestimmten Medium ist.
Diese Zahl gibt an, um wie viel das Licht abgelenkt oder gebrochen wird, wenn es auf das Medium trifft. Außerdem wird damit berechnet, wie viel Licht reflektiert wird, wenn es auf das Medium trifft.
Im Vakuum beträgt der Brechungsindex des Lichts 1,0. Da jedoch niemand Lichtleiter für den Einsatz in einem solchen Vakuum entwickelt, müssen zusätzliche Überlegungen angestellt werden, um die Leistung zu optimieren.
Außerdem zeigt jeder Wert über 1,0 an, dass sich das Objekt im Vergleich zum Vakuum langsamer bewegt.
Brechungsindizes:
Luft, der Kurs beträgt 1,003
Wasser, der Satz beträgt 1,33
Acryl, woraus die meisten Lichtleiter bestehen – der Wert liegt bei ~1,49.
Der Brechungsindex ist nicht der einzige Wert, der eine Rolle spielt, wenn es darum geht, wie eine Oberfläche das Licht beeinflusst.
Außerdem gibt es Totale interne Reflexion (TIR), d. h. der Winkel, in dem Licht reflektiert wird, wenn kein Licht durch eine Oberfläche hindurchscheint, sondern stattdessen von einer Oberfläche zur anderen reflektiert wird, wo es sichtbar ist.
Quelle: https://www.physicsclassroom.com/class/refrn/Lesson-3/Total-Internal-Reflection
TIR ist ein Phänomen, das auftritt, wenn der Einfallswinkel größer ist als ein bestimmter Grenzwinkel, der als kritischer Winkel bezeichnet wird.
Warum spielt TIR bei der Konstruktion von Lichtleitern eine Rolle?
Häufig werden Lichtleiter eingesetzt, um Licht um Ecken zu leiten. Um sicherzustellen, dass das Licht im kritischen Winkel reflektiert wird und mit maximaler Effizienz zum Endpunkt gelangt, ist es unerlässlich, den kritischen Winkel verschiedener Materialien zu kennen.
Bei transparentem Polycarbonat beträgt der kritische Winkel 39, bei Acryl 42.
Das Verständnis dafür, wie das Licht in verschiedenen Szenarien reagiert, wird zu einer besseren und optimierten Leistung des Lichtleiters führen.
Wenn beispielsweise ein rechtwinkliges Lichtleiterrohr verwendet wird, würde sich TIR wie folgt auf die technischen Daten auswirken:
Bei der Konstruktion von Lichtleitern gehen die meisten Menschen davon aus, dass sich Licht wie elektrischer Strom verhält, und lassen die Totalreflexion (TIR) außer Acht.
Da Licht einzigartige Eigenschaften aufweist, führt die Konstruktion eines Lichtleiters wie in der oben gezeigten Abbildung mit rechtwinkligem Verlauf zu erheblichen Lichtverlusten am TIR. Um Lichtverluste zu vermeiden, sollten Sie den kritischen Winkel einbeziehen und eine Geometrie schaffen, die das Licht um den kritischen Winkel herumleitet, ohne dass es entweicht. Dieses Konzept gilt auch für Lichtleiter mit abgerundeten Ecken (oder jede andere Geometrie, die Ihr Entwurf vorsieht).
Es werden üblicherweise zwei Arten von Lichtleitern verwendet: starre und flexible Lichtleiter.
Ein starrer Lichtleiter ist dafür ausgelegt, Licht über kurze Strecken unter mäßigen bis starken Vibrationen sowie in feuchten oder staubigen Umgebungen zu leiten. Starre Lichtleiter sind in vielen Ausführungen erhältlich, darunter vertikale, rechtwinklige und mehrstufige Modelle, und sind für Entfernungen von bis zu 3 Zoll ausgelegt. Ein starrer Lichtleiter besteht aus Polycarbonat.
Starre Lichtleiter sind in zahlreichen Ausführungen erhältlich, darunter gerade, rechtwinklige, einteilige oder mehrteilige, gestapelte oder vertikal angeordnete Varianten. Starre Lichtleiter mit einer robusten Gewindehalterung der Schutzart IP67 bieten maximalen Schutz vor dem Eindringen von Flüssigkeiten und Staub. Es sind Komplettlösungen erhältlich, die den Lichtleiter, die LED und einen Adapter für die Aufputzmontage umfassen.
Insgesamt sind starre Lichtleiter eine kostengünstige Möglichkeit, Licht von einer LED zum Anzeigebereich auf der Frontplatte zu leiten, wenn ein direkter Zugang vorhanden ist.
Ein flexibler Lichtleiter wird bevorzugt eingesetzt, wenn Licht über größere Entfernungen oder um Hindernisse herum zwischen der LED und einer Frontblende oder einem anderen Anzeigeort geleitet werden muss. Eine flexible Lichtleiterbaugruppe besteht aus einem Adapter, der kaum bis gar keinen Lichtverlust verursacht, und einer flexiblen Lichtleitfaser mit einer Linsenabdeckung. Flexible Lichtleiter sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI) und leiten oder übertragen keine elektrostatischen Entladungen (ESD).
Flexible Lichtleiter sind komplexer und teurer als starre Lichtleiter; sie lösen Zugangsprobleme für Ingenieure, indem sie ihnen die Flexibilität bieten, Bauteile auf der Leiterplatte (PCB) zu umgehen, die einen geradlinigen Zugang zum Anzeigebereich auf der Frontplatte verhindern.
Abbildung 5 zeigt die verschiedenen Teile einer flexiblen Lichtleiterkonstruktion. Die Komponenten bestehen aus der LED an Punkt A, einem SMD-22-Adapter, der verhindert, dass Licht in einen benachbarten Lichtleiter austritt, einer Kunststofflichtleitfaser (POF) sowie einer Linsenabdeckung an Punkt B, die mit der POF verbunden ist.
Flexible Lichtleiter erleichtern das Hinzufügen weiterer Anzeigen oder den Austausch einer beschädigten Baugruppe, da die Linsenabdeckung an Punkt B bis zu 330 Fuß von der LED-Lichtquelle an Punkt A entfernt sein kann. Der Lichtleiter und die Linse benötigen in der Nähe der Frontplatte weitaus weniger Platz als die LED und ihre Schaltkreise. Wenn ein Ergonomieingenieur feststellt, dass eine weitere Anzeige erforderlich ist und der Platz knapp ist, lässt sich eine umfassende Neukonstruktion vermeiden, indem eine weitere Anzeige über einen flexiblen Adapter hinzugefügt wird, der von einer anderen LED geführt wird, die sich möglicherweise an einer völlig anderen Stelle als die erste LED befindet. Die Kombination aus Entwicklungszeit und Platzersparnis verbessert die Kostensituation in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungen erheblich. Fünf verschiedene Farben der POF-Ummantelung erleichtern Technikern die Installation und visuelle Identifizierung vor Ort und sorgen zudem für mehr Klarheit bei den Abbildungen in den Bedienungsanleitungen.
Starre und flexible Lichtleiter bieten Ihnen zwei unterschiedliche Optionen. Jede davon hat Vor- und Nachteile. Hier finden Sie einige Leitlinien, die Ihnen helfen sollen, die richtige Wahl zu treffen.
Betrachten wir ein Starres Lichtleitrohr Falls diese Parameter auf Ihr Projekt zutreffen:
- Licht muss nur eine kurze Strecke zurücklegen
- Niedrige Kosten haben oberste Priorität
- Die Leiterplatte befindet sich in der Nähe der Frontplatte und ist leicht zugänglich.
Ziehen Sie den Einsatz eines Flexibler Lichtleiter wenn:
- Das Licht muss eine lange Strecke zurücklegen
- Die Konstruktion des Geräts lässt keinen direkten Lichtweg von der LED zur Displaylinse zu
- Es besteht die Möglichkeit, dass später weitere Indikatoren hinzugefügt werden müssen.
- Das Design unter Berücksichtigung menschlicher Faktoren ist noch nicht endgültig festgelegt.
- Das LED-Licht muss eine Umgebung mit starken elektromagnetischen Störungen durchqueren, bevor es die Linsenabdeckung erreicht.
Der Konstrukteur muss besonders auf die Abstimmung zwischen Lichtleiter und LED achten, um Lichtverluste zu minimieren und eine optimale Leistung zu gewährleisten. Die LED muss optimal auf den Eintrittsbereich des Lichtleiters abgestimmt sein, damit das Licht ordnungsgemäß eingefangen wird und möglichst wenige Lichtverluste entstehen.
Natürlich kann die Position des Lichtleiters die Lichteigenschaften beeinflussen. Um Lichtverluste zu minimieren, gilt als Faustregel, eine LED mit einem engen Abstrahlwinkel von 160 Grad oder weniger zu verwenden und den Lichtleiter sowie die LED in einem Abstand von höchstens 0,05 Zoll zueinander zu positionieren. Um das beste Produkt für Ihr Design zu erhalten, gehört jedoch noch etwas mehr dazu. Hier kommen Lichtsimulationen ins Spiel. Kontaktieren Sie unser Team, um eine Simulation durchzuführen und den idealen Lichtleiter für Ihr Design zu ermitteln. Und vergessen Sie nicht die Einschränkungen, die sich je nach Art des verwendeten Lichtleiters ergeben können: Einschränkungen bei der Konstruktion starrer Lichtleiter Nicht biegbar Längenbegrenzungen: Presspassung: 1,20” Sonderanfertigung: 1,5” Standard: bis zu 2”, kürzere Ausführungen erhältlich Einschränkungen bei der Konstruktion flexibler Lichtleiter Lässt sich bis zu 30 Grad biegen
Position des Lichtleiters
Lichtleckage tritt auf, wenn Licht von der LED rund um die LED und den Lichtleiterbereich sichtbar ist. Lichtleckage führt zu Fehlmessungen, gedämpften und vermischten Farben, Übersprechen zwischen benachbarten Lichtleitern und unerwünschtem Leuchten im Gehäuse. Befindet sich ein starrer Lichtleiter über der LED, lässt dies ein gewisses Maß an Lichtleckage am unteren Ende des Lichtleiters zu. Ein flexibler Lichtleiter ist so konzipiert, dass er dank einer beschichteten Lichtleitfaser und eines lichtbeständigen schwarzen Adapters weniger Lichtleckage verursacht.
Die größte Flexibilität ergibt sich, wenn der Konstrukteur die Wahl hat, entweder mit einzelnen Komponenten (LED und Lichtleiter) zu arbeiten oder eine Komplettlösung zu nutzen, die beide Elemente umfasst.
Lichtleiter sind so konzipiert, dass sie Licht so effizient wie möglich von Punkt A nach Punkt B leiten.
Punkt A: Wo sich der Eingang oder die Lichtquelle befindet. In den meisten Fällen handelt es sich um eine SMD-LED (Surface-Mount-Device).
Punkt B: Die Austrittsfläche, d. h. die Stelle, an der der Endnutzer das Licht an der Schnittstelle oder der Anzeige des Geräts sieht.
Lichtverlust oder Lichtstreuung tritt auf, wenn ein Teil des Lichts, das von Punkt A zu Punkt B wandert, entweicht oder an eine andere Stelle fällt, sodass am Austrittspunkt weniger Licht zur Verfügung steht.
Lichtverlust
Mehr Licht
Um den Lichtverlust so gering wie möglich zu halten, können Entwickler eine LED mit einem engen Abstrahlwinkel anstelle einer LED mit einem breiten Abstrahlwinkel verwenden, um den Abstand zwischen dem Lichtleiter und der LED zu verringern, durch den Licht entweichen könnte. Je größer der Abstand zwischen dem Lichtleiter und der LED ist, desto mehr Raum hat das Licht, zu entweichen, bevor es in den Lichtleiter eintritt und zum Austrittspunkt gelangt.
Hinweis: Es geht immer ein gewisser Teil des Lichts verloren, während es sich vom Standort der LED bis zum Austrittspunkt bewegt, an dem der Endnutzer das Licht wahrnimmt.
Unabhängig davon, für welche Art von Lichtleiter man sich entscheidet, stehen zahlreiche Möglichkeiten zur Optimierung des Designs zur Verfügung.
Eine SMD-LED (Surface Mount Device) wird auf der Oberfläche der Leiterplatte montiert und erfordert keine Löcher. Durchsteck-LEDs werden montiert, indem die Anschlüsse durch die Leiterplatte geführt und verlötet werden, um eine stabilere Verbindung zwischen den Schichten herzustellen, die zudem bestimmten Umweltbelastungen standhalten kann. Eine SMD-LED ist in der Regel kleiner und heller als das Durchsteck-Äquivalent. Sowohl Durchsteck- als auch SMD-LEDs sind in einer großen Auswahl an Größen, Farben, Leuchtstärken und mit geringerer Leistungsaufnahme erhältlich.
LED-Farbe. SMD-LEDs und Durchsteck-LEDs sind in einer großen Auswahl an Einzelfarben erhältlich. SMD-LEDs bieten zusätzliche Optionen, darunter weiße oder einfarbige, zweifarbige und dreifarbige LED in einer Vielzahl von Farbkonfigurationen. Für beide LED-Typen sind Lichtleiteradapter erhältlich. Darüber hinaus kann der Entwickler zwischen einem Adapter mit integrierter LED und einem Adapter für die Verwendung mit einer separaten LED wählen.
LED-Größe. LEDs für die Oberflächenmontage basieren auf branchenüblichen Standardgrößen, während die Abmessungen von Durchsteck-LEDs in Millimetern angegeben werden (1,8 mm, 3 mm, 5 mm). Beispielsweise basiert ein 0402-Gehäuse (SM0402) auf ungefähren Abmessungen (Länge × Breite) von etwa 0,4 mm Länge und 0,2 mm Breite.
LED-Helligkeit. Die Lichtleistung (Lichtstärke) von SMD-LEDs und Durchsteck-LEDs wird üblicherweise in Millicandela (mcd) oder Lumen (lm) gemessen. Je höher der mcd- oder lm-Wert, desto stärker ist die Lichtintensität.
Die Linse ist am Ende des Lichtleiters angebracht oder eingegossen; sie dient als praktische optische Anzeige und schützt den Lichtleiter zudem vor mechanischen Einwirkungen. Einige Parameter der Linse sind:
Objektivprofil. Eine Fresnel-Linse dient dazu, Licht zu bündeln, und sorgt für weniger Schattenbildung und Blendung sowie für einen weiten Abstrahlwinkel. Zur Vergrößerung des Abstrahlwinkels wird auch eine einfache flache Linse oder eine Kuppellinse verwendet.
Linsenfarbe. Je nach Modell sind Gläser mit diffuser Optik, getönte Gläser sowie farbige Gläser (blau, schwarz, grün, grau, rot, gelb) erhältlich.
Größe und Form der Linse. Es stehen verschiedene Linsengrößen zur Verfügung, darunter Durchmesser von 2 mm, 3 mm, 4 mm und 5 mm. Erhältlich sind runde, ovale und rechteckige Formen.
Anwendungen in vielen Branchen müssen unter rauen Umgebungsbedingungen betrieben werden, wobei es entscheidend ist, dass der Objektivdeckel durch geeignete Maßnahmen zuverlässig gegen Witterungseinflüsse abgedichtet ist. IP-Schutzklasse. Die IP-Schutzart eines Objektivdeckels gibt an, welchen Schutz er gegen das Eindringen von Feststoffen, einschließlich Staub, und Flüssigkeiten, einschließlich Feuchtigkeit oder Wasser, bietet. Eine IP-Schutzart wird in der Form “IPXY” angegeben, wobei X und Y Zahlenwerte sind.
Die erste Ziffer einer IP-Schutzart gibt den Schutzgrad gegen das Eindringen fester Fremdkörper an: von IP0x (kein Schutz) bis IP6x (vollständiger Schutz gegen Staub). Die zweite Ziffer bezieht sich auf den Schutz gegen Flüssigkeiten: von IPx0 (kein Schutz) bis IPx9 (Schutz gegen Strahlwasser).
Ein Lichtleiter-Design umfasst mehr als nur die LED, den Lichtleiter und die Linse. Um ein komplettes System zu bilden, sind weitere Komponenten erforderlich, und für jede davon gibt es mehrere Optionen.
Je nach Anwendungszweck und Fertigungsanforderungen stehen verschiedene Befestigungsmöglichkeiten für Lichtleiter zur Verfügung.
Wenn flexible und starre Ausführungen die einzigen Optionen wären, wären Ihre Möglichkeiten möglicherweise begrenzt. Lichtleiter sind so konzipiert, dass sie sich für eine Vielzahl von Befestigungsarten eignen.
Neben der Entscheidung zwischen starrer und flexibler Ausführung gibt es bei der Auswahl eines Lichtleiters für Ihr Design noch einige weitere Aspekte zu berücksichtigen. Ihre Stromquelle und die Gesamtabmessungen Ihres Designs können ausschlaggebend dafür sein, welche Befestigungsart Sie für Ihren Lichtleiter wählen sollten.
THR-22
THR-5-22
SMD-22
