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Light Pipes mögen einfach erscheinen, aber sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung elektronischer Geräte. Ihre Verwendung kann das Layout von Leiterplatten vereinfachen, die Arbeit des Human Factors Engineer erleichtern und ein kompakteres Design ermöglichen.
In diesem Artikel werden die Funktion von Lichtleitern, die dahinter stehende Technologie, die zugrundeliegende Physik sowie die Auswahlmöglichkeiten und Optionen für den Geräteentwickler erörtert.
Ein Lichtleiter ist ein massiver, transparenter Kunststoffstab oder eine Lichtleitfaser, der/die Licht von einer auf einer Platine montierten LED an eine andere Stelle überträgt, an der es bequem betrachtet werden kann, wie z. B. ein Anzeigefeld eines elektronischen Moduls.
Sie bieten eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. eine saubere Statusanzeige und eine einfachere Technik für den Menschen. Der nichtleitende Lichtweg erfordert keine Löt- oder Quetschverbindungen und eliminiert die Gefahr von Kurzschlüssen durch eingeklemmte Drähte; es sind keine Löt- oder Quetschverbindungen erforderlich.
Lichtleiter sind wichtige Komponenten in vielen modernen elektronischen Anwendungen. Der Einbau eines Lichtleiters ist eine kosteneffiziente Lösung, mit der sich viele der Schritte vermeiden lassen, die sonst für den Transport von Licht von einem Ort zum anderen erforderlich sind.
Leichte Rohre 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 Entwürfe, die mehrere Anzeigen erfordern, sind Lichtleiter aufgrund ihrer geringen Kosten, ihrer hervorragenden visuellen Kommunikation und ihrer Designflexibilität eine ideale Lösung.
Gesundheitswesen
Im Gesundheitswesen ermöglichen LED-Anzeige- und Beleuchtungslösungen entscheidende Human Machine Interface (HMI)-Designs in einer Reihe von medizintechnischen Anwendungen.
Zu den medizinischen Anwendungen für Lichtleiter gehören:
- Technologien für das vernetzte Leben
- Medizinische Einwegprodukte
- Medizinische intelligente Geräte
- Medizinische Mensch-Maschine-Schnittstelle
Industrielle Automatisierung und Steuerung
Lichtleiter tragen dazu bei, Sicherheit, Zuverlässigkeit und Konformität in rauen Umgebungen, wie sie in Industriebetrieben vorkommen, zu gewährleisten. Integrierte Anzeige- und Beleuchtungstechnologien verbessern die Überwachung von Fertigungsbereichen, um Anlagen vor gefährlichen Bedingungen zu schützen.
Industrielle Anwendungen umfassen
- Steuerungen für Industriemaschinen
- Digitale Fabriken
- Industrie 4.0
- Intelligente Gebäude
EV, Autonom & Automotive, Transport
Light Pipes unterstützen die LED-Anzeige- und Beleuchtungsanforderungen dieses schnell wachsenden Marktes, der sowohl Elektrofahrzeuge und deren Ladeinfrastruktur als auch den nicht-automobilen Verkehr umfasst.
Zu den Anwendungen im Transportwesen gehören:
- Elektrische Fahrzeuge
- Autonome Fahrzeuge
- Vernetzter Transport
- Hybrid- und Elektromobilität
Erneuerbare Energie
Leichte Rohre ermöglichen einen zuverlässigen Betrieb unter den härtesten Bedingungen. Wasser, extreme Temperaturen und Vibrationen erfordern, dass die Produktdesigns den strengen ISO-Richtlinien entsprechen.
Lichtleiter werden in mehreren Bereichen eingesetzt:
- Windkraft
- Solarenergie
- Gewächshausbetrieb
- Landwirtschaft
Kommunikation
Als Teil der expandierenden Infrastruktur, die die weltweite Konnektivität vorantreibt, leiten Light Pipes das Licht durch komplexe Systeme: von Servern und Edge Computing bis hin zu Rechenzentren und 5G-Systeminfrastruktur.
Beispiele für Anwendungen in der Kommunikation sind:
- Datenzentren
- Cloud Computing
- Lagerung
- 5G/IoT
Ein Lichtleiter wird sehr nah an einer LED-Lichtquelle an einem Ende einer Leiterplatte angebracht. Seine für optische Zwecke geeigneten Materialien tragen dazu bei, die Lichtstrahlen an das gewünschte Ziel zu leiten, in der Regel an die Benutzeroberfläche eines Geräts. Lichtleiter übertragen je nach Design und Abstand etwa 80 bis 90 Prozent des Lichts von der LED-Quelle. Je näher die Lichtleiter an der/den LED(s) sind, desto effizienter können sie das Licht übertragen. Natürlich müssen die verwendeten Lichtleiter für die gleiche Wärmemenge ausgelegt sein, die von der LED oder der Lichtquelle erzeugt wird, so dass auch dies eine Designüberlegung sein muss, die den zulässigen Mindestabstand zwischen dem Lichtleiter und der Lichtquelle bestimmen kann.
Brechungsindex: Auf das Medium kommt es an
Licht verhält sich nicht immer gleich, was das Design von Lichtleitern noch komplexer macht. Warum?
Gehen wir zurück in den Physikunterricht und lernen wir etwas über Brechung.
Brechung ist definiert als die Richtungsänderung einer Welle von einem Medium zu einem anderen oder eine allmähliche Änderung des Mediums selbst.
Zusätzlich zu all den anderen Variablen, die bei der Gestaltung von Lichtleitern eine Rolle spielen (Größe, Form, Helligkeit, Abstand zur LED, Betrachtungswinkel und verwendetes Material, um nur einige zu nennen), müssen die Designer auch den Brechungsindex berücksichtigen.
Der Brechungsindex wird verwendet, um zu bestimmen, wie schnell sich Licht durch ein Medium bewegt.
Berechnet als n = c/v, wobei c die Geschwindigkeit des Lichts und v die Geschwindigkeit des Lichts in diesem speziellen Medium ist.
Diese Zahl gibt an, wie viel des Lichts beim Auftreffen auf das Medium gebeugt oder gebrochen wird. Es wird auch berechnet, wie viel Licht reflektiert wird, wenn es das Medium erreicht.
In einem Vakuum bricht das Licht mit einer Rate von 1,0. Aber niemand entwickelt Lichtleiter für diese Art von Vakuum, so dass zusätzliche Überlegungen angestellt werden müssen, um die Leistung zu optimieren.
Außerdem zeigt jede Zahl über 1,0 die geringere Geschwindigkeit an, mit der es sich im Vergleich zum Vakuum fortbewegt.
Brechungsindizes:
Luftbeträgt der Satz 1,003
Wasserbeträgt der Satz 1,33
Acrylaus dem die meisten leichten Rohre hergestellt werden - es ist ~1,49.
Der Brechungsindex ist nicht die einzige Zahl, die ins Spiel kommen muss, wenn es darum geht, wie eine Oberfläche das Licht beeinflusst.
Außerdem gibt es interne Totalreflexion (TIR)Dies ist der Winkel, in dem das Licht reflektiert wird, wenn es nicht zu einer Oberfläche durchscheint, sondern von einer Oberfläche zu einer 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 ist TIR bei der Konstruktion von Lichtleitern wichtig?
Häufig werden Lichtleiter verwendet, um Licht um Ecken zu leiten. Um sicherzustellen, dass das Licht im kritischen Winkel reflektiert wird und mit maximaler Effektivität zum Endpunkt gelangt, ist es wichtig, den kritischen Winkel verschiedener Materialien zu kennen.
Bei klarem Polycarbonat liegt der kritische Winkel bei 39, bei Acrylglas bei 42.
Wenn man versteht, wie das Licht in verschiedenen Szenarien reagiert, kann man die Leistung des Lichtleiters verbessern und optimieren.
Bei Verwendung eines rechtwinkligen Lichtleiters würde sich die TIR beispielsweise folgendermaßen auf die Spezifikationen auswirken:
Bei der Konstruktion von Lichtleitern gehen die meisten Menschen davon aus, dass sich Licht wie elektrischer Strom verhält, und ignorieren TIR.
Da Licht einzigartige Eigenschaften hat, führt die Konstruktion eines Lichtleiters wie die oben gezeigte rechtwinklige Abbildung zu einem erheblichen Lichtverlust an der TIR. Um Lichtverluste zu vermeiden, sollten Sie den kritischen Winkel einbeziehen, um eine Geometrie zu schaffen, die das Licht um den kritischen Winkel herumführt, ohne dass das Licht entweicht. Dieses Konzept gilt auch für Lichtleiter mit runden Ecken (oder jede andere Geometrie, die Ihr Entwurf enthält).
Im Allgemeinen werden zwei Arten von Lichtrohren verwendet: starre und flexible Rohre.
Ein starrer Lichtleiter ist für die Übertragung von Licht über kürzere Entfernungen unter mäßigen bis starken Vibrationsbedingungen und in feuchten oder staubigen Umgebungen ausgelegt. Starre Lichtleiter sind in vielen Konfigurationen erhältlich, einschließlich vertikaler, rechtwinkliger und mehrstufiger Ausführungen, und sind für Entfernungen bis zu 3 Zoll ausgelegt. Ein starrer Lichtleiter ist aus Polycarbonat gefertigt.
Starre Lichtleiter sind in zahlreichen Konfigurationen erhältlich, darunter gerade, rechtwinklige, ein- oder mehrteilige, gestapelte oder vertikale Anordnungen. Starre Lichtleiter mit einer IP67-zertifizierten, hochbelastbaren Gewindehalterung bieten maximalen Schutz gegen das Eindringen von Flüssigkeiten und Staub. Es sind Komplettlösungen erhältlich, die den Lichtleiter, die LED und einen Adapter für die Oberflächenmontage umfassen.
Insgesamt sind starre Lichtleiter eine wirtschaftliche Möglichkeit, Licht von einer LED zum Anzeigebereich auf der Frontplatte zu leiten, wenn ein direkter Zugang vorhanden ist.
Ein flexibler Lichtleiter wird bevorzugt, wenn das Licht über größere Entfernungen oder um Hindernisse herum zwischen der LED und einer Frontplatte oder einem anderen Anzeigeort bewegt werden muss. Ein flexibler Lichtleiter besteht aus einem Adapter, der weniger oder gar kein Streulicht liefert, und einer flexiblen optischen Faser mit einer Linsenkappe. Flexible Lichtleiter sind immun gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und leiten oder übertragen keine elektrostatischen Entladungsimpulse (ESD).
Flexible Lichtleiter sind komplexer und kosten mehr als starre Lichtleiter; sie lösen die Probleme der Zugänglichkeit für Ingenieure, indem sie ihnen die Flexibilität geben, Komponenten auf der Leiterplatte (PCB) zu umgehen, die einen geradlinigen Zugang zum Anzeigebereich auf der Frontplatte verhindern.
Abbildung 5 zeigt die verschiedenen Teile eines flexiblen Lichtleiters. Die Komponenten bestehen aus der LED an Punkt A, einem SMD-22-Adapter, der sicherstellt, dass kein Licht in einen benachbarten Lichtleiter austritt, einer optischen Kunststofffaser (POF) und einer Linsenkappe an Punkt B, die mit der POF verbunden ist.
Flexible Lichtleiter erleichtern das Hinzufügen zusätzlicher Anzeiger oder den Austausch einer beschädigten Baugruppe, da die Linsenkappe an Punkt B bis zu 30 m von der LED-Lichtquelle an Punkt A entfernt sein kann. Der Lichtleiter und die Linse benötigen in der Nähe der Schalttafel weit weniger Platz als die LED und ihre Schaltkreise. Wenn ein Human-Factors-Ingenieur feststellt, dass ein weiterer Anzeiger erforderlich ist und der Platz ein Problem darstellt, kann eine umfangreiche Neukonstruktion vermieden werden, indem ein weiterer Anzeiger mit einem flexiblen Adapter hinzugefügt wird, der von einer anderen LED stammt, die sich an einem völlig anderen Ort als die erste LED befinden kann. Die Kopplung von Designzeit und Designraum verbessert die Kostenproblematik in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungen radikal. Fünf verschiedene POF-Mantelfarben verbessern die Installation und die visuelle Identifizierung im Feld durch Techniker sowie die Klarheit der Referenzen in Benutzerhandbüchern.
Mit starren und flexiblen Lichtleitern haben Sie zwei verschiedene Möglichkeiten. Beide haben Vor- und Nachteile. Hier sind einige Leitlinien, die Ihnen helfen, die richtige Wahl zu treffen.
Betrachten Sie eine Starres Lichtrohr wenn 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
Erwägen Sie die Verwendung eines Flexibles Lichtrohr wenn:
- Das Licht muss eine lange Strecke zurücklegen
- Das Gerät ist so konstruiert, dass kein direkter Weg von der LED zur Anzeigelinse möglich ist.
- Es besteht die Möglichkeit, dass später weitere Indikatoren hinzugefügt werden müssen.
- Das Human Factors Design ist noch nicht fertiggestellt
- Der LED-Ausgang muss eine Umgebung mit hohem EMI-Gehalt durchqueren, bevor er die Linsenkappe erreicht.
Der Konstrukteur muss der Paarung des Lichtleiters und der LED große Aufmerksamkeit widmen, um den Lichtverlust zu minimieren und die beste Leistung zu gewährleisten. Die LED muss effektiv an den Eingang des Lichtleiters angepasst werden, um eine korrekte Lichterfassung mit minimalem Lichtverlust zu ermöglichen.
Natürlich kann die Position des Lichtleiters die Lichteigenschaften beeinflussen. Um den Lichtverlust zu minimieren, sollte man in der Regel eine LED mit einem engen Abstrahlwinkel von 160 Grad oder weniger verwenden und den Lichtleiter und die LED nicht weiter als 0,05" voneinander entfernt positionieren. Um das beste Produkt für Ihr Design zu erhalten, bedarf es jedoch noch einiger Details. Hier kommen Lichtsimulationen ins Spiel. Wenden Sie sich an unser Team, um eine Simulation durchzuführen und den idealen Lichtleiter für Ihr Design zu ermitteln. Und vergessen Sie nicht die Einschränkungen, die sich aus der Art des verwendeten Lichtleiters ergeben können: Starre Leichtbaurohre - Einschränkungen bei der Konstruktion Kann nicht gebogen werden Längenbegrenzung: Presspassung: 1,20" Benutzerdefiniert: 1,5" Standard: bis zu 2" mit kürzeren Versionen erhältlich Flexible Lichtleiterkonstruktion - Zwänge Biegungen bis zu 30 Grad
Position des Lichtleiters
Streulicht tritt auf, wenn das Licht der LED im Bereich der LED und des Lichtleiters sichtbar ist. Light Bleed verursacht falsche Messwerte, gedämpfte und überblendete Farben, Übersprechen zwischen benachbarten Lichtleitern und unerwünschtes Glühen im Gehäuse. Wenn ein starrer Lichtleiter über der LED angebracht ist, ist ein gewisses Maß an Streulicht an der Basis des Lichtleiters möglich. Ein flexibler Lichtleiter ist so konstruiert, dass er mit einer beschichteten optischen Faser und einem lichtbeständigen schwarzen Adapter weniger Streulicht erzeugt.
Die maximale Flexibilität ergibt sich, wenn der Planer wählen kann, ob er mit einzelnen Komponenten (LED und Lichtleiter) plant oder eine Komplettlösung verwendet, die beide Elemente umfasst.
Lichtleiter sollen das Licht so effektiv wie möglich von Punkt A nach Punkt B transportieren.
Punkt A: Wo sich der Eingang oder die Lichtquelle befindet. In den meisten Fällen ist es die oberflächenmontierte (SMD) LED.
Punkt B: Die Austrittsfläche oder die Stelle, an der der Endnutzer das Licht an der Schnittstelle oder dem Anzeigefeld des Geräts sieht.
Lichtverlust tritt auf, wenn ein Teil des Lichts, das von Punkt A nach Punkt B gelangt, entweicht oder an anderer Stelle wieder aufleuchtet, so dass am Austrittspunkt weniger Licht zur Verfügung steht.
Lichtverlust
Mehr Licht
Um den Lichtverlust zu minimieren, können Designer eine LED mit einem engen Abstrahlwinkel anstelle einer mit einem weiten Abstrahlwinkel verwenden, um den Abstand zwischen dem Lichtleiter und der LED zu verringern, aus dem Licht entweichen könnte. Je größer der Abstand zwischen dem Lichtleiter und der LED ist, desto mehr Raum kann das Licht entweichen, bevor es in den Lichtleiter eintritt und sich zum Austrittspunkt bewegt.
Anmerkung: Auf dem Weg zwischen dem Standort der LED und dem Punkt, an dem der Endnutzer das Licht sieht, geht immer ein gewisser Anteil an Licht verloren.
Unabhängig davon, für welche Art von Lichtleitern man sich entscheidet, gibt es zahlreiche Optionen zur Optimierung des Designs.
Eine oberflächenmontierte (SMD) LED wird auf der Oberfläche der Leiterplatte montiert und benötigt keine Löcher. Durchgangsloch-LEDs werden durch Einführen von Leitungen durch die Leiterplatte und Löten montiert, um eine stärkere Verbindung zwischen den Schichten zu schaffen, die auch einigen Umweltbelastungen standhalten kann. Eine SMD-LED ist in der Regel kleiner und heller als die durchkontaktierte Variante. Sowohl Durchsteck- als auch SMD-LEDs sind in einer breiten Palette von Größen, Farben, Leuchtstärken und niedrigeren Wattzahlen erhältlich.
LED-Farbe. SMD-LEDs und Through-Hole-LEDs sind in einer breiten Palette von Einzelfarben erhältlich. SMD-LEDs haben zusätzliche Optionen, einschließlich weiß oder einfarbig, zweifarbig und dreifarbig, in einer Reihe von Farbkonfigurationen. Lichtleiteradapter sind für beide Arten von LEDs erhältlich. Darüber hinaus kann der Designer einen Adapter mit eingebauter LED oder einen Adapter für eine separate LED wählen.
LED-Größe. Oberflächenmontierte LEDs basieren auf Industriestandardgrößen, während durchkontaktierte LEDs in Millimetern (1,8mm, 3mm, 5mm) gemessen werden. Zum Beispiel basiert ein 0402-Gehäuse (SM0402) auf ungefähren Abmessungen (Länge × Breite) von etwa 0,4 mm Länge und 0,2 mm Breite.
LED-Intensität. Die Lichtleistung (Helligkeit) von SMD-LEDs und Durchsteck-LEDs wird in der Regel in Millicandela (mcd) oder Lumen (lm) gemessen. Je höher der mcd- oder lm-Wert, desto heller ist die Lichtintensität.
Die Linse wird am Ende des Lichtleiters montiert oder angegossen; sie bietet eine praktische optische Anzeige und schützt den Lichtleiter vor mechanischen Störungen. Einige Parameter der Linse sind:
Profil der Linse. Eine Fresnellinse dient zur Fokussierung des Lichts und sorgt für weniger Schattenbildung und Blendung sowie für einen großen Betrachtungswinkel. Ein einfaches flaches Linsenprofil oder eine Kuppellinse wird ebenfalls für einen größeren Betrachtungswinkel verwendet.
Farbe der Linse. Je nach Modell sind diffuse, getönte und farbige (blau, schwarz, grün, grau, rot, gelb) Gläser erhältlich.
Größe und Form der Linse. Es ist eine Vielzahl von Linsengrößen erhältlich, darunter Durchmesser von 2 mm, 3 mm, 4 mm und 5 mm. Es sind runde, ovale und rechteckige Formen erhältlich.
In vielen Industriezweigen müssen Anwendungen in rauen Umgebungen betrieben werden, in denen es entscheidend ist, dass der Objektivdeckel mit der entsprechenden Abdichtung gegen die Elemente versehen ist. IP-Einstufung. Die IP-Schutzart eines Objektivdeckels gibt an, wie gut er gegen das Eindringen von Feststoffen, einschließlich Staub, und Flüssigkeiten, einschließlich Feuchtigkeit oder Wasser, geschützt ist. Eine IP-Einstufung wird in der Form "IPXY" angegeben, wobei X und Y numerische Werte sind.
Die erste Ziffer einer IP-Klassifizierung gibt den Grad des Schutzes gegen das Eindringen fester Gegenstände 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 Lichtleiterkonzept umfasst mehr als nur die LED, das Rohr und die Linse. Für ein komplettes System werden zusätzliche Komponenten benötigt, für die es jeweils mehrere Optionen gibt.
Je nach Anwendung und Fertigungsanforderungen gibt es verschiedene Befestigungsmöglichkeiten für Lichtleiter.
Wenn flexible und starre Rohre die einzigen Optionen wären, könnten Ihre Möglichkeiten begrenzt sein. Lichtrohre sind so konzipiert, dass sie für eine Vielzahl von Montagearten geeignet sind.
Neben der Entscheidung zwischen starr und flexibel gibt es noch weitere Überlegungen bei der Auswahl eines Lichtleiters für Ihr Design. Ihre Stromquelle und die Gesamtgröße des Designs können bestimmen, welche Montageart Sie für Ihren Lichtleiter verwenden sollten.
THR-22
THR-5-22
SMD-22
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