Tecnología y aplicaciones de los conductos de luz
Los conductos de luz pueden parecer sencillos, pero desempeñan un papel fundamental en el diseño de equipos electrónicos; su uso puede simplificar el diseño de las placas de circuito impreso, facilitar el trabajo del ingeniero de factores humanos y permitir un diseño más compacto.
En este artículo se analizará la función de los conductos de luz, la tecnología en la que se basan, los principios físicos subyacentes y las alternativas y opciones de que dispone el diseñador de equipos.
Un conducto de luz es una varilla de plástico sólido transparente o una fibra óptica que se utiliza para transmitir la luz desde un LED montado en una placa hasta otro lugar donde pueda verse cómodamente, como el panel indicador de un módulo electrónico.
Ofrecen varias ventajas, entre las que se incluyen una indicación clara del estado y una ingeniería ergonómica más sencilla. La trayectoria de la luz no conductora no requiere soldaduras ni terminaciones prensadas y elimina el riesgo de cortocircuitos debidos a cables pellizcados; no se necesitan soldaduras ni terminaciones prensadas.
Los conductos de luz son componentes fundamentales en muchas aplicaciones electrónicas modernas. La incorporación de un conducto de luz supone una solución rentable que permite eliminar muchos de los pasos que, de otro modo, serían necesarios para transportar la luz de un lugar a otro.
Los conductos de luz tienen aplicaciones en diversos sectores.
Dependiendo del equipamiento y del diseño de la interfaz de usuario de un dispositivo, un producto puede necesitar más de un indicador —e incluso muchos—. Para los diseños que requieren múltiples indicadores, los conductos de luz son una solución ideal gracias a su bajo coste, su excelente comunicación visual y su flexibilidad de diseño.
Sanidad
En el ámbito sanitario, las soluciones de iluminación y señalización LED permiten crear diseños fundamentales de interfaz hombre-máquina (HMI) en una amplia gama de aplicaciones de tecnología médica.
Entre las aplicaciones médicas de los conductos de luz se incluyen:
- Tecnologías para una vida conectada
- Productos sanitarios desechables
- Dispositivos médicos inteligentes
- Interfaz médico-hombre-máquina
Automatización y control industrial
Los conductos de luz contribuyen a garantizar la seguridad, la fiabilidad y el cumplimiento de la normativa en entornos adversos, como los que se dan en las operaciones industriales. Las tecnologías integradas de señalización e iluminación mejoran la supervisión de las naves de producción para proteger los activos frente a condiciones peligrosas.
Entre las aplicaciones industriales se incluyen
- Sistemas de control de maquinaria industrial
- Fábricas digitales
- Industria 4.0
- Edificios inteligentes
Vehículos eléctricos, conducción autónoma y automoción, transporte
Los conductos de luz satisfacen los requisitos de señalización e iluminación LED de este mercado en rápida expansión, que abarca los vehículos eléctricos y su infraestructura de recarga, así como el transporte no automovilístico.
Entre las aplicaciones en el sector del transporte se incluyen:
- Vehículos eléctricos
- Vehículos autónomos
- Transporte conectado
- Movilidad híbrida y eléctrica
Energías renovables
Los conductos de luz permiten un funcionamiento fiable en las condiciones más adversas. El agua, las temperaturas extremas y las vibraciones exigen que el diseño de los productos cumpla con las estrictas normas ISO.
Los conductos de luz se utilizan en múltiples ámbitos:
- Energía eólica
- Energía solar
- Actividades relacionadas con los invernaderos
- Agricultura
Comunicaciones
Como parte de la infraestructura en expansión que impulsa la conectividad a nivel mundial, los conductos de luz canalizan la luz a lo largo de sistemas complejos: desde servidores y computación periférica hasta centros de datos e infraestructura de sistemas 5G.
Entre los ejemplos de aplicaciones en el ámbito de las comunicaciones se incluyen:
- Centros de datos
- Computación en la nube
- Almacenamiento
- 5G/IoT
Un conducto de luz se coloca muy cerca de una fuente de luz LED en uno de los extremos de una placa de circuito impreso (PCB). Sus materiales de calidad óptica ayudan a conducir los rayos de luz hasta el destino deseado, normalmente la interfaz de usuario de un dispositivo. Los conductos de luz transmiten aproximadamente entre el 80 y el 90 por ciento de la luz procedente de la fuente LED, dependiendo del diseño y la distancia. Cuanto más cerca estén los conductos de luz de los LED, más eficientemente podrán transferir la luz. Por supuesto, los conductos de luz utilizados deberán estar homologados para soportar la misma cantidad de calor que produce el LED o la fuente de luz, por lo que este también debe ser un factor a tener en cuenta en el diseño, ya que puede determinar la distancia mínima permitida entre el conducto de luz y la fuente de luz.
Índice de refracción: la importancia del medio
La luz no siempre se comporta de la misma manera, lo que hace que el diseño de los conductos de luz sea mucho más complejo. ¿Por qué?
Volvamos a la clase de física y aprendamos qué es la refracción.
Refracción Se define como el cambio de dirección de una onda al pasar de un medio a otro o debido a un cambio gradual en el propio medio.
Por lo tanto, además de todas las demás variables que intervienen en el diseño de los conductos de luz (tamaño, forma, luminosidad, distancia al LED, ángulo de visión y material utilizado, por citar algunas), los diseñadores también deben tener en cuenta el índice de refracción.
El índice de refracción se utiliza para determinar la velocidad a la que se propaga la luz a través de un medio.
Se calcula como n = c/v, siendo c la velocidad de la luz y v la velocidad de la luz en ese medio concreto.
Este número indica en qué medida la luz se desvía o se refracta al incidir en el medio. También calcula la cantidad de luz que se refleja al llegar al medio.
En el vacío, la luz se refracta con un índice de 1,0. Sin embargo, nadie diseña conductos de luz para utilizarlos en este tipo de vacío, por lo que hay que tener en cuenta otros factores para optimizar su rendimiento.
Además, cualquier valor superior a 1,0 indica que la velocidad a la que se desplaza es menor que la que tendría en el vacío.
Índices de refracción:
Aire, el tipo de cambio es de 1,003
Agua, la tasa es de 1,33
Acrílico, que es el material del que están hechos la mayoría de los conductos de luz: es de ~1,49.
El índice de refracción no es el único valor que hay que tener en cuenta a la hora de analizar cómo afecta una superficie a la luz.
También hay reflexión interna total (TIR), que es el ángulo en el que se refleja la luz cuando ninguna parte de ella atraviesa la superficie hasta salir al exterior, sino que se refleja de una superficie a otra, donde resulta visible.
Fuente: https://www.physicsclassroom.com/class/refrn/Lesson-3/Total-Internal-Reflection
La reflexión interna total (TIR) es un fenómeno que se produce cuando el ángulo de incidencia es mayor que un ángulo límite determinado, denominado ángulo crítico.
¿Por qué es importante el TIR en el diseño de los conductos de luz?
A menudo, se utilizan conductos de luz para guiar la luz en las esquinas. Para garantizar que la luz rebote en el ángulo crítico y llegue al punto final con la máxima eficacia, es fundamental conocer el ángulo crítico de los distintos materiales.
En el caso del policarbonato transparente, el ángulo crítico es de 39, y en el del acrílico, de 42.
Comprender cómo reacciona la luz en diferentes situaciones permitirá mejorar y optimizar el rendimiento de los conductos de luz.
Por ejemplo, al utilizar un conducto de luz en ángulo recto, así es como la TIR afectaría a las especificaciones:
A la hora de diseñar conductos de luz, la mayoría de la gente da por sentado que la luz se comporta como la corriente eléctrica y pasa por alto la reflexión interna total (TIR).
Dado que la luz tiene propiedades únicas, diseñar un conducto de luz como el de la ilustración en ángulo recto que se muestra arriba provocará una pérdida significativa de luz en el TIR. Para evitar la pérdida de luz, incorpora el ángulo crítico para crear una geometría que guíe la luz alrededor de dicho ángulo sin que esta se escape. Este concepto también se aplica a los conductos de luz con esquinas redondeadas (o cualquier geometría que incluya su diseño).
Se suelen utilizar dos tipos de conductos de luz: los rígidos y los flexibles.
Un conducto de luz rígido está diseñado para transportar la luz en distancias cortas en condiciones de vibración moderada a alta y en entornos húmedos o polvorientos. Los conductos de luz rígidos están disponibles en numerosas configuraciones, entre ellas verticales, en ángulo recto y de varios niveles, y están diseñados para distancias de hasta 3 pulgadas. Un conducto de luz rígido está fabricado en policarbonato.
Los conductos de luz rígidos están disponibles en numerosas configuraciones, entre las que se incluyen los rectos, en ángulo recto, de una sola unidad o de varias unidades, así como en disposiciones apiladas o verticales. Los conductos de luz rígidos con un sistema de fijación roscado de alta resistencia con clasificación IP67 ofrecen la máxima protección contra la entrada de líquidos y polvo. Se ofrecen soluciones completas que incluyen el conducto de luz, el LED y un adaptador para montaje en superficie.
En general, los conductos de luz rígidos son una forma económica de conducir la luz desde un LED hasta la zona de indicación del panel frontal cuando se dispone de acceso directo.
Se recomienda utilizar un conducto de luz flexible cuando sea necesario transportar la luz a largas distancias o sortear obstáculos entre el LED y un panel frontal u otra ubicación de visualización. Un conjunto de conducto de luz flexible consta de un adaptador, que reduce o elimina por completo la fuga de luz, y una fibra óptica flexible con una tapa de lente. Los conductos de luz flexibles son inmunes a las interferencias electromagnéticas (EMI) y no conducen ni transmiten pulsos de descarga electrostática (ESD).
Los conductos de luz flexibles son más complejos y más caros que los rígidos; resuelven los problemas de accesibilidad a los que se enfrentan los ingenieros, ya que les ofrecen la flexibilidad necesaria para sortear los componentes de la placa de circuito impreso (PCB) que impiden un acceso en línea recta a la zona de indicación del panel frontal.
La figura 5 muestra las distintas partes del diseño de un conducto de luz flexible. Los componentes son: el LED situado en el punto A; un adaptador SMD-22 que garantiza que no se filtre luz hacia un conducto adyacente; una fibra óptica de plástico (POF); y una tapa de lente situada en el punto B, que está unida a la POF.
Los conductos de luz flexibles facilitan la incorporación de indicadores adicionales o la sustitución de un conjunto dañado, ya que la tapa de la lente en el punto B puede estar a una distancia de hasta 330 pies de la fuente de luz LED en el punto A. El conducto de luz y la lente ocupan mucho menos espacio cerca de la superficie del panel que el LED y sus circuitos. Si un ingeniero especializado en factores humanos determina que es necesario otro indicador y el espacio es un problema, se puede evitar un rediseño a gran escala añadiendo otro indicador con un adaptador flexible conectado a otro LED que puede encontrarse en una ubicación completamente diferente a la del primer LED. La combinación de tiempo de diseño y espacio de diseño mejora radicalmente los aspectos relacionados con los costes en una gran variedad de sectores y aplicaciones. Los cinco colores diferentes de la cubierta del POF facilitan la instalación y la identificación visual sobre el terreno por parte de los técnicos, además de aclarar las referencias en los manuales de usuario.
Los conductos de luz rígidos y flexibles te ofrecen dos opciones distintas. Cada una tiene sus ventajas y sus inconvenientes. A continuación te ofrecemos algunas pautas que te ayudarán a tomar la decisión correcta.
Pensemos en un Tubo de luz rígido si estos parámetros se aplican a tu proyecto:
- La luz solo tiene que recorrer una distancia corta
- El bajo coste es una prioridad fundamental
- La placa de circuito impreso se encuentra cerca del panel frontal y se puede acceder a ella fácilmente.
Plantéate utilizar un Tubo de luz flexible si:
- La luz debe recorrer una gran distancia
- El diseño del equipo no permite una línea de visión directa desde el LED hasta la lente de la pantalla
- Es posible que más adelante sea necesario añadir indicadores adicionales.
- El diseño centrado en los factores humanos aún no está terminado.
- La luz emitida por el LED debe atravesar un entorno con un alto nivel de interferencias electromagnéticas antes de llegar a la tapa de la lente
El ingeniero de diseño debe prestar especial atención a la combinación del conducto de luz y el LED para minimizar la pérdida de luz y garantizar el mejor rendimiento. El LED debe ajustarse correctamente a la entrada del conducto de luz para permitir una captación adecuada de la luz con una pérdida mínima.
Por supuesto, la posición del conducto de luz puede influir en las propiedades de la luz. Para minimizar la pérdida de luz, una regla general es utilizar un LED con un ángulo de visión estrecho, de 160 grados o menos, y colocar el conducto de luz y el LED a una distancia máxima de 0,05 pulgadas entre sí. Pero hay algo más que tener en cuenta para conseguir el mejor producto para tu diseño. Ahí es donde entran en juego las simulaciones de iluminación. Ponte en contacto con nuestro equipo para realizar una simulación y determinar el conducto de luz ideal para tu diseño. Y no olvides las limitaciones que puedas tener en función del tipo de conducto de luz que utilices: Restricciones de diseño de los conductos de luz rígidos No se puede doblar. Límites de longitud: Ajuste a presión: 1,20” Personalizado: 1,5” Estándar: hasta 2”, con versiones más cortas disponibles Restricciones en el diseño de los conductos de luz flexibles Se inclina hasta 30 grados
Posición del conducto de luz
La fuga de luz se produce cuando la luz del LED es visible alrededor del LED y de la zona del conducto de luz. La fuga de luz provoca lecturas erróneas, colores apagados y mezclados, diafonía entre conductos de luz adyacentes y un resplandor no deseado en la carcasa. Cuando se coloca un conducto de luz rígido sobre el LED, se produce una cierta cantidad de fuga de luz en la base del conducto. Los conductos de luz flexibles están diseñados para reducir la fuga de luz gracias a una fibra óptica recubierta y a un adaptador negro resistente a la luz.
La máxima flexibilidad se alcanza cuando el diseñador puede elegir entre diseñar con componentes individuales (LED y conducto de luz) o utilizar una solución completa que incluya ambos elementos.
Los conductos de luz están diseñados para transportar la luz desde el punto A hasta el punto B de la forma más eficaz posible.
Punto A: Lugar donde se encuentra la entrada o la fuente de luz. En la mayoría de los casos, se trata de un LED de montaje en superficie (SMD).
Punto B: La superficie de salida, es decir, el lugar donde el usuario final ve la luz en la interfaz o en el panel indicador del dispositivo.
La pérdida de luz, o dispersión de la luz, se produce cuando parte de la luz que viaja del punto A al punto B se escapa o incide en otro lugar, por lo que llega menos luz al punto de salida.
Pérdida de luz
Más luz
Para minimizar la pérdida de luz, los diseñadores pueden utilizar un LED con un ángulo de visión estrecho en lugar de uno con un ángulo de visión amplio, con el fin de reducir la distancia entre el conducto de luz y el LED, por donde podría escaparse la luz. Cuanto mayor sea el espacio entre el conducto de luz y el LED, más posibilidades hay de que la luz se escape antes de entrar en el conducto y llegar al punto de salida.
Nota: Siempre habrá una cierta cantidad de luz que se pierda en el trayecto desde el lugar donde se encuentra el LED hasta el punto de salida, donde el usuario final ve la luz.
Independientemente del tipo de conducto de luz que se elija, existen múltiples opciones disponibles para optimizar el diseño.
Un LED de montaje en superficie (SMD) se instala sobre la superficie de la placa de circuito impreso y no requiere orificios. Los LED de montaje pasante se instalan insertando los terminales a través de la placa de circuito impreso y soldándolos para proporcionar una conexión más resistente entre capas, lo que también permite soportar ciertas condiciones de estrés ambiental. Un LED SMD suele ser más pequeño y más brillante que su equivalente de montaje pasante. Tanto los LED de montaje pasante como los SMD están disponibles en una amplia gama de tamaños, colores, intensidades luminosas y potencias más bajas.
Color del LED. Los LED SMD y los de montaje superficial están disponibles en una amplia gama de colores únicos. Los LED SMD ofrecen opciones adicionales, como blanco o monocromáticos, bicolores y tricolores, en una gran variedad de configuraciones de color. Hay adaptadores de conductos de luz disponibles para su uso con ambos tipos de LED. Además, el diseñador puede elegir un adaptador con un LED integrado o uno diseñado para utilizarse con un LED independiente.
Tamaño del LED. Los LED de montaje en superficie se basan en tamaños estándar del sector, mientras que los LED de montaje en orificio se miden en milímetros (1,8 mm, 3 mm, 5 mm). Por ejemplo, un encapsulado 0402 (SM0402) se basa en unas dimensiones aproximadas (longitud × anchura) de unos 0,4 mm de largo por 0,2 mm de ancho.
Intensidad del LED. La potencia luminosa (intensidad luminosa) de los LED SMD y de los LED de montaje superficial se mide habitualmente en milicandelas (mcd) o lúmenes (lm). Cuanto mayor sea el valor en mcd o lm, mayor será la intensidad luminosa.
La lente está montada o moldeada en el extremo del conducto de luz; ofrece un indicador visual muy práctico y, además, protege el conducto de luz frente a posibles daños mecánicos. Algunos parámetros de la lente son:
Perfil de la lente. Una lente de Fresnel está diseñada para enfocar la luz y ofrece una reducción de las sombras y el deslumbramiento, además de un amplio ángulo de visión. También se utiliza una lente plana de perfil sencillo o una lente abovedada para ampliar el ángulo de visión.
Color de las lentes. Hay disponibles opciones de lentes difusas, ahumadas y de distintos colores (azul, negro, verde, gris, rojo y amarillo), según el modelo.
Tamaño y forma de la lente. Hay disponible una amplia variedad de tamaños de lentes, con diámetros de 2 mm, 3 mm, 4 mm y 5 mm. Se ofrecen formas redondas, ovaladas y rectangulares.
Las aplicaciones en muchos sectores deben funcionar en entornos adversos, en los que es fundamental que la tapa del objetivo quede debidamente sellada frente a las inclemencias del tiempo con el Clasificación IP. La clasificación IP de una tapa de objetivo indica el nivel de protección que ofrece frente a la entrada de partículas sólidas, como el polvo, y de líquidos, como la humedad o el agua. La clasificación IP se expresa en el formato “IPXY”, donde X e Y son valores numéricos.
El primer dígito de un índice IP indica el nivel de protección contra la entrada de objetos sólidos: desde IP0x (sin protección) hasta IP6x (protección total contra el polvo). El segundo dígito se refiere a la protección contra los líquidos: desde IPx0 (sin protección) hasta IPx9 (protección contra chorros de agua).
El diseño de un conducto de luz no se limita al LED, el conducto y la lente. Se necesitan componentes adicionales para completar el sistema, y existen varias opciones para cada uno de ellos.
Existen diversas opciones de montaje para los conductos de luz, en función de tu aplicación y de los requisitos de fabricación.
Si las únicas opciones fueran los conductos flexibles y los rígidos, tus posibilidades podrían verse limitadas. Los conductos de luz están diseñados para adaptarse a una amplia variedad de tipos de montaje.
Además de la elección entre rígido o flexible, hay otras consideraciones que debes tener en cuenta a la hora de elegir un conducto de luz para tu diseño. La fuente de alimentación y el espacio que ocupa el diseño en su conjunto pueden determinar qué tipo de montaje debes utilizar con tu conducto de luz.
THR-22
THR-5-22
SMD-22
