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Les tubes optiques peuvent sembler simples, mais ils jouent un rôle essentiel dans la conception des équipements électroniques. Leur utilisation peut simplifier la disposition des circuits imprimés, faciliter le travail de l'ingénieur chargé des facteurs humains et permettre une conception plus compacte.
Cet article traite de la fonction des conduits de lumière, de la technologie qui les sous-tend, de la physique sous-jacente et des choix et options qui s'offrent au concepteur de l'équipement.
Table des matières
- Qu'est-ce qu'un conduit de lumière ?
Un tube optique est une tige solide en plastique transparent ou une fibre optique utilisée pour transmettre la lumière d'une LED montée sur une carte à un autre endroit où elle peut être facilement visualisée, comme le panneau indicateur d'un module électronique.
Ils offrent plusieurs avantages, notamment une indication d'état claire et une ingénierie des facteurs humains plus simple. Le trajet lumineux non conducteur ne nécessite pas de terminaisons soudées ou serties et élimine le risque de courts-circuits électriques dus à des fils pincés ; aucune terminaison soudée ou sertie n'est nécessaire.
Les conduits de lumière sont des composants essentiels dans de nombreuses applications électroniques modernes. L'ajout d'un conduit de lumière est une solution rentable qui permet d'éliminer de nombreuses étapes nécessaires au transport de la lumière d'un endroit à l'autre.
Les tubes légers ont des applications dans diverses industries.
En fonction de l'équipement et de la conception de l'interface utilisateur d'un appareil, un produit peut nécessiter plus d'un - et jusqu'à plusieurs - indicateurs. Pour les conceptions nécessitant plusieurs indicateurs, les tubes lumineux constituent une solution idéale en raison de leur faible coût, de leur excellente communication visuelle et de leur souplesse de conception.
Soins de santé
Dans le domaine de la santé, les solutions d'indication et d'éclairage par LED permettent de concevoir des interfaces homme-machine (IHM) cruciales dans toute une série d'applications de technologie médicale.
Les applications médicales des tubes de lumière comprennent
- Technologies de la vie connectée
- Dispositifs médicaux jetables
- Dispositifs médicaux intelligents
- Interface homme-machine médicale
Automatisation et contrôle industriels
Les tubes de lumière contribuent à garantir la sécurité, la fiabilité et la conformité dans des environnements difficiles tels que ceux que l'on trouve dans les opérations industrielles. Les technologies intégrées d'indication et d'éclairage améliorent la surveillance de l'atelier de fabrication afin de protéger les actifs contre les conditions dangereuses.
Les applications industrielles comprennent
- Contrôle des machines industrielles
- Usines numériques
- Industrie 4.0
- Bâtiments intelligents
VE, autonome et automobile, transport
Les tubes de lumière répondent aux besoins d'indication et d'éclairage par LED de ce marché en pleine expansion qui englobe les véhicules électriques et leur infrastructure de recharge, ainsi que les transports autres que les automobiles.
Les applications dans le domaine des transports sont les suivantes :
- Véhicules électriques
- Véhicules autonomes
- Transport connecté
- Mobilité hybride et électrique
Énergies renouvelables
Les tubes de lumière permettent un fonctionnement fiable dans les conditions les plus difficiles. L'eau, les températures extrêmes et les vibrations exigent que la conception des produits soit conforme aux strictes directives réglementaires de l'ISO.
Les tubes de lumière sont utilisés dans de nombreux domaines :
- L'énergie éolienne
- Énergie solaire
- Exploitation de serres
- Agriculture
Communications
Dans le cadre de l'infrastructure en expansion qui favorise la connectivité mondiale, les conduits de lumière dirigent la lumière à travers des systèmes complexes : des serveurs et de l'informatique périphérique aux centres de données et à l'infrastructure du système 5G.
Voici quelques exemples d'applications dans le domaine des communications :
- Centres de données
- Informatique en nuage
- Stockage
- 5G/IoT
Un conduit de lumière est placé très près d'une source lumineuse LED à l'une des extrémités d'une carte de circuit imprimé. Ses matériaux de qualité optique permettent de transporter les rayons lumineux jusqu'à la destination souhaitée, généralement l'interface utilisateur d'un appareil. Les tubes optiques transmettent environ 80 à 90 % de la lumière provenant de la source LED, en fonction de la conception et de l'espacement. Plus les conduits de lumière sont proches de la ou des LED, plus ils peuvent transférer efficacement la lumière. Bien entendu, le(s) tube(s) optique(s) utilisé(s) devra(ont) être dimensionné(s) pour la même quantité de chaleur que celle produite par la LED ou la source lumineuse, ce qui doit également être pris en compte lors de la conception et peut dicter la distance minimale autorisée entre le tube optique et la source lumineuse.
Indice de réfraction : L'importance du milieu
La lumière ne se comporte pas toujours de la même manière, ce qui rend la conception des conduits de lumière encore plus complexe. Pourquoi ?
Revenons au cours de physique et apprenons ce qu'est la réfraction.
Réfraction est défini comme le changement de direction d'une onde d'un milieu à un autre ou d'un changement graduel dans le milieu lui-même.
Ainsi, en plus de toutes les autres variables entrant dans la conception d'un conduit de lumière (taille, forme, luminosité, distance par rapport à la LED, angle de vision et matériau utilisé, pour n'en citer que quelques-unes), les concepteurs doivent également tenir compte de l'indice de réfraction.
L'indice de réfraction est utilisé pour déterminer la vitesse à laquelle la lumière traverse un milieu.
Calculée comme n = c/v, c étant la vitesse de la lumière et v la vitesse de la lumière dans ce milieu spécifique.
Ce chiffre représente la quantité de lumière courbée ou réfractée lorsqu'elle atteint le support. Il calcule également la quantité de lumière réfléchie lorsqu'elle atteint le support.
Dans le vide, la lumière se brise à un taux de 1,0. Cependant, personne ne conçoit les tubes de lumière pour être utilisés dans ce type de vide, et il faut donc prendre des mesures supplémentaires pour optimiser les performances.
De plus, tout chiffre supérieur à 1,0 indique la diminution de la vitesse de déplacement par rapport au vide.
Indices de réfraction :
Airle taux est de 1,003
L'eau, le taux est de 1,33
Acryliquequi est la matière première de la plupart des tubes de lumière - il est de ~1,49.
L'indice de réfraction n'est pas le seul chiffre à entrer en ligne de compte lorsqu'il s'agit de déterminer comment une surface affecte la lumière.
Il y a aussi réflexion interne totale (TIR)Il s'agit de l'angle auquel la lumière est réfléchie lorsqu'elle n'atteint pas la sortie d'une surface, mais qu'elle est réfléchie d'une surface à l'autre où elle est visible.
Source : https://www.physicsclassroom.com/class/refrn/Lesson-3/Total-Internal-Reflection
Le TIR est un phénomène qui se produit lorsque l'angle d'incidence est supérieur à un certain angle limite, appelé angle critique.
Pourquoi le TIR est-il important dans la conception des conduits de lumière ?
Les conduits de lumière sont souvent utilisés pour guider la lumière dans les coins. Pour s'assurer que la lumière rebondit à l'angle critique et atteint le point final avec un maximum d'efficacité, il est essentiel de comprendre l'angle critique des différents matériaux.
Pour le polycarbonate transparent, l'angle critique est de 39, et pour l'acrylique, de 42.
Comprendre comment la lumière réagit dans différents scénarios permettra d'améliorer et d'optimiser les performances du conduit de lumière.
Par exemple, si l'on utilise un conduit de lumière à angle droit, voici comment le TIR affecte les spécifications :
Lors de la conception de conduits de lumière, la plupart des gens partent du principe que la lumière se comporte comme un courant électrique et ignorent le TIR.
La lumière ayant des propriétés uniques, la conception d'un conduit de lumière comme l'illustration à angle droit présentée ci-dessus se traduira par une perte de lumière importante au niveau du TIR. Pour éviter cette perte de lumière, incorporez l'angle critique afin de créer une géométrie permettant de guider la lumière autour de l'angle critique sans qu'elle ne s'échappe. Ce concept s'applique également aux conduits de lumière à angles arrondis (ou à toute autre géométrie incluse dans votre conception).
Deux types de tubes optiques sont couramment utilisés : les tubes rigides et les tubes flexibles.
Un tube lumineux rigide est conçu pour transporter de la lumière sur de courtes distances dans des conditions de vibrations modérées à élevées et dans des environnements humides ou poussiéreux. Les tubes optiques rigides sont disponibles dans de nombreuses configurations, notamment verticales, à angle droit et à plusieurs niveaux, et sont conçus pour des distances allant jusqu'à 3 pouces. Un conduit de lumière rigide est fabriqué en polycarbonate.
Les tubes lumineux rigides sont disponibles dans de nombreuses configurations, notamment droites, à angle droit, à une ou plusieurs unités, empilées ou verticales. Les tubes lumineux rigides dotés d'une fixation filetée robuste IP67 offrent une protection maximale contre les infiltrations de liquides et de poussières. Des solutions complètes sont disponibles, comprenant le tube lumineux, la LED et un adaptateur pour montage en surface.
Dans l'ensemble, les tubes optiques rigides sont un moyen économique de déplacer la lumière d'une DEL vers la zone d'indication du panneau avant lorsqu'un accès direct est disponible.
Un tube optique flexible est préférable lorsque la lumière doit être déplacée sur de longues distances ou autour d'obstacles entre la DEL et un panneau avant ou un autre emplacement d'affichage. L'assemblage d'un tube optique flexible se compose d'un adaptateur, qui réduit ou élimine les pertes de lumière, et d'une fibre optique flexible munie d'un capuchon de lentille. Les tubes optiques flexibles sont insensibles aux interférences électromagnétiques (EMI) et ne conduisent ni ne transfèrent les impulsions de décharge électrostatique (ESD).
Les tubes optiques flexibles sont plus complexes et plus coûteux que les tubes optiques rigides ; ils résolvent les problèmes d'accessibilité pour les ingénieurs en leur donnant la possibilité de contourner les composants de la carte de circuit imprimé (PCB) qui empêchent l'accès en ligne droite à la zone d'indication sur le panneau avant.
La figure 5 montre les différentes parties d'un concept de tube optique flexible. Les composants comprennent la DEL au point A, un adaptateur SMD-22 qui garantit que la lumière ne passe pas dans un tuyau adjacent, une fibre optique en plastique (FOP) et un capuchon de lentille au point B qui est collé à la FOP.
Les tubes optiques flexibles facilitent l'ajout d'indicateurs supplémentaires ou le remplacement d'un assemblage endommagé, car le capuchon de la lentille au point B peut se trouver jusqu'à 330 pieds de la source lumineuse LED au point A. Le tube optique et la lentille ont besoin de beaucoup moins d'espace près de la face du panneau que la LED et son circuit. Si un ingénieur en facteurs humains estime qu'un autre indicateur est nécessaire et que l'espace est insuffisant, il est possible d'éviter une refonte importante en ajoutant un autre indicateur à l'aide d'un adaptateur flexible acheminé à partir d'une autre LED qui peut se trouver à un endroit complètement différent de la première LED. Le couplage du temps et de l'espace de conception améliore radicalement les problèmes de coûts dans une variété d'industries et d'applications. Cinq couleurs différentes de gaine POF améliorent l'installation et l'identification visuelle sur le terrain par les techniciens, ainsi que la clarté des références dans les manuels d'utilisation.
Les tubes d'éclairage rigides et flexibles vous offrent deux options distinctes. Chacune présente des avantages et des inconvénients. Voici quelques conseils pour vous aider à faire le bon choix.
Considérons un Tube de lumière rigide si ces paramètres s'appliquent à votre projet :
- La lumière ne doit parcourir qu'une courte distance
- Le faible coût est une priorité absolue
- Le circuit imprimé est situé à proximité du panneau avant, d'où il est facile d'y accéder
Envisager l'utilisation d'un Tuyau d'éclairage flexible si :
- La lumière doit parcourir une longue distance
- La conception de l'équipement ne permet pas un passage direct de la DEL à la lentille d'affichage.
- Il est possible que des indicateurs supplémentaires doivent être ajoutés ultérieurement.
- La conception des facteurs humains n'est pas encore finalisée
- La sortie de la LED doit traverser un environnement à forte émissivité avant d'atteindre le capuchon de la lentille.
L'ingénieur concepteur doit accorder une attention particulière à l'association du conduit de lumière et de la LED afin de minimiser la perte de lumière et d'assurer les meilleures performances. La LED doit être bien adaptée à l'entrée du conduit de lumière pour permettre une capture correcte de la lumière avec une perte de lumière minimale.
Bien entendu, la position du conduit de lumière peut avoir un impact sur les propriétés de la lumière. Pour minimiser la perte de lumière, la règle générale est d'utiliser une LED avec un angle de vision étroit de 160 degrés ou moins et de positionner le conduit de lumière et la LED à une distance maximale de 0,05" l'un de l'autre. Il faut aller un peu plus loin pour obtenir le meilleur produit pour votre projet. C'est là qu'interviennent les simulations d'éclairage. Contactez notre équipe pour effectuer une simulation et déterminer le conduit de lumière idéal pour votre projet. Et n'oubliez pas les contraintes que vous pouvez avoir en fonction du type de tube optique que vous utilisez : Contraintes liées à la conception d'un tube léger rigide Les limites de longueur sont inflexibles : Ajustement à la presse : 1,20" Sur mesure : 1,5" Standard : jusqu'à 2" avec des versions plus courtes disponibles Contraintes liées à la conception d'un conduit de lumière flexible Se plie jusqu'à 30 degrés
Position du tuyau d'éclairage
On parle de saignement de lumière lorsque la lumière de la LED est visible autour de la LED et de la zone du conduit de lumière. Ce phénomène entraîne des lectures erronées, des couleurs atténuées et mélangées, une diaphonie entre les tubes lumineux adjacents et une lueur indésirable dans l'enceinte. Lorsqu'un conduit de lumière rigide est placé au-dessus de la LED, il permet une certaine perte de lumière à la base du conduit de lumière. Un conduit de lumière flexible est conçu pour réduire les pertes de lumière avec une fibre optique revêtue et un adaptateur noir résistant à la lumière.
La flexibilité est maximale lorsque le concepteur peut choisir de concevoir avec des composants individuels (LED et tube lumineux) ou d'utiliser une solution complète comprenant les deux éléments.
Les conduits de lumière sont conçus pour transporter la lumière d'un point A à un point B de la manière la plus efficace possible.
Point A: L'endroit où se trouve l'entrée ou la source lumineuse. Dans la plupart des cas, il s'agit d'une DEL montée en surface (SMD).
Point B : La surface de sortie, ou l'endroit où l'utilisateur final voit la lumière au niveau de l'interface ou du panneau indicateur de l'appareil.
La perte de lumière, ou saignée lumineuse, se produit lorsqu'une partie de la lumière voyageant du point A au point B s'échappe ou brille ailleurs, de sorte qu'il y a moins de lumière disponible pour briller au point de sortie.
Perte de lumière
Plus de lumière
Pour minimiser la perte de lumière, les concepteurs peuvent utiliser une LED à angle de vision étroit plutôt qu'une LED à angle de vision large afin de réduire la distance entre le conduit de lumière et la LED où la lumière pourrait s'échapper. Plus l'espace entre le conduit de lumière et la LED est grand, plus la lumière peut s'échapper avant de pénétrer dans le conduit de lumière et de se diriger vers le point de sortie.
Remarque : il y aura toujours un certain niveau de perte de lumière entre l'endroit où se trouve la LED et le point de sortie où l'utilisateur final voit la lumière.
Quel que soit le type de conduit de lumière choisi, il existe de nombreuses options permettant d'optimiser la conception.
Une LED à montage en surface (SMD) est montée sur la surface du circuit imprimé et ne nécessite pas de trous. Les DEL à trous traversants sont montées en insérant des fils à travers le circuit imprimé et en les soudant afin d'obtenir une connexion plus solide entre les couches, qui peut également résister à certaines conditions de stress environnemental. Les DEL CMS sont généralement plus petites et plus lumineuses que leurs équivalents à trous traversants. Les LED traversantes et CMS sont disponibles dans une large gamme de tailles, de couleurs, de luminosités et de puissances en watts inférieures.
Couleur de la LED. Les LED SMD et les trous traversants sont disponibles dans une large gamme de couleurs uniques. Les LED SMD disposent d'options supplémentaires, y compris le blanc ou l'unicolore, le bicolore et le tricolore, dans un éventail de configurations de couleurs. Des adaptateurs de tubes lumineux sont disponibles pour les deux types de LED. En outre, le concepteur peut choisir un adaptateur avec une LED intégrée ou un adaptateur destiné à être utilisé avec une LED séparée.
Taille de la LED. Les DEL montées en surface sont basées sur les dimensions standard de l'industrie et les DEL à trous traversants sont dimensionnées en millimètres (1,8 mm, 3 mm, 5 mm). Par exemple, un boîtier 0402 (SM0402) est basé sur des dimensions approximatives (longueur × largeur) d'environ 0,4 mm de long sur 0,2 mm de large.
Intensité de la LED. Le rendement lumineux (intensité de la luminosité) des DEL SMD et des trous traversants est généralement mesuré en millicandelas (mcd) ou en lumens (lm). Plus la valeur en mcd ou en lm est élevée, plus l'intensité lumineuse est importante.
La lentille est montée ou moulée à l'extrémité du tube optique ; elle fournit un indicateur visuel pratique et protège également le tube optique contre les perturbations mécaniques. Les paramètres de la lentille sont les suivants
Profil de l'objectif. Une lentille de Fresnel est conçue pour focaliser la lumière et permet de réduire les ombres et les éblouissements, ainsi que d'obtenir un grand angle de vision. Un simple profil de lentille plat ou une lentille en dôme est également utilisé pour augmenter l'angle de vision.
Couleur de l'objectif. Des options de lentilles diffuses, fumées et de couleur (bleu, noir, vert, gris, rouge, jaune) sont disponibles, selon le modèle.
Taille et forme des lentilles. Une variété de tailles de lentilles est disponible, y compris des diamètres de 2 mm, 3 mm, 4 mm et 5 mm. Des formes rondes, ovales et rectangulaires sont disponibles.
Dans de nombreux secteurs, les applications doivent fonctionner dans des environnements difficiles où il est essentiel que le bouchon de l'objectif soit correctement étanchéifié contre les éléments à l'aide d'un bouchon de protection approprié. Indice de protection IP. L'indice IP d'un bouchon d'objectif indique le niveau de protection qu'il offre contre l'intrusion de solides, y compris la poussière, et de liquides, y compris l'humidité ou l'eau. L'indice IP est exprimé sous la forme "IPXY", où X et Y sont des valeurs numériques.
Le premier chiffre de l'indice IP indique le niveau de protection contre les objets solides : de IP0x (aucune protection) à IP6x (protection totale contre la poussière). Le deuxième chiffre se rapporte à la protection contre les liquides : de IPx0 (aucune protection) à IPx9 (protection contre les jets d'eau).
La conception d'un conduit de lumière ne se limite pas à la LED, au conduit et à la lentille. D'autres composants sont nécessaires pour constituer un système complet, et il existe plusieurs options pour chacun d'entre eux.
Il existe différentes options de montage pour les tubes optiques en fonction de votre application et de vos exigences de fabrication.
Si la flexibilité et la rigidité étaient les seules options possibles, vos choix pourraient être limités. Les tubes de lumière sont conçus pour s'adapter à un large éventail de types de montage.
Outre la question de la rigidité ou de la flexibilité, il existe plusieurs autres éléments à prendre en compte lors du choix d'un tube optique pour votre projet. Votre source d'énergie et l'encombrement global de votre projet peuvent dicter le type de montage à utiliser avec votre tube optique.
THR-22
THR-5-22
SMD-22
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