Tecnologia e applicazioni dei tubi leggeri

I tubi luminosi possono sembrare semplici, ma svolgono un ruolo fondamentale nella progettazione delle apparecchiature elettroniche; il loro utilizzo può semplificare il layout dei circuiti stampati, agevolare il lavoro degli ingegneri dei fattori umani e consentire un design più compatto.

In questo articolo si parlerà della funzione dei tubi luminosi, della tecnologia che ne è alla base, della fisica sottostante e delle scelte e opzioni disponibili per il progettista di apparecchiature.

Che cos'è un tubo luminoso?

Un tubo luminoso è un'asta di plastica solida e trasparente o una fibra ottica utilizzata per trasmettere la luce da un LED montato su scheda a un'altra posizione in cui può essere comodamente visualizzata, come ad esempio un pannello indicatore di un modulo elettronico.

Offrono diversi vantaggi, tra cui un'indicazione pulita dello stato e una più semplice progettazione dei fattori umani. Il percorso della luce non conduttivo non richiede terminazioni a saldare o a crimpare ed elimina il rischio di cortocircuiti elettrici dovuti a fili schiacciati; non sono necessarie terminazioni a saldare o a crimpare.

I light pipe sono componenti fondamentali in molte applicazioni elettroniche moderne. L'aggiunta di un tubo luminoso è una soluzione economica che consente di eliminare molti dei passaggi altrimenti necessari per trasportare la luce da un luogo all'altro.

Come vengono utilizzati?

I tubi leggeri trovano applicazione in diversi settori.

A seconda dell'apparecchiatura e del design dell'interfaccia utente di un dispositivo, un prodotto può richiedere più di un indicatore, fino a molti. Per i progetti che richiedono più indicatori, i tubi luminosi sono la soluzione ideale grazie al loro basso costo, all'eccellente comunicazione visiva e alla flessibilità del design.

Come funzionano

Un light pipe è posizionato molto vicino a una sorgente luminosa a LED su un'estremità di una scheda PCB. I suoi materiali ottici aiutano a trasportare i raggi di luce fino alla destinazione desiderata, in genere l'interfaccia utente di un dispositivo. I tubi luminosi trasmettono circa l'80-90% della luce proveniente dalla sorgente LED, a seconda del design e della distanza. Quanto più vicini sono i tubi luminosi ai LED, tanto più efficiente è il trasferimento della luce. Naturalmente, i tubi luminosi utilizzati dovranno essere dimensionati per la stessa quantità di calore prodotta dal LED o dalla sorgente luminosa, quindi anche questo aspetto deve essere preso in considerazione nella progettazione e può determinare la distanza minima consentita tra il tubo luminoso e la sorgente luminosa.

Categorie di tubi leggeri

Si utilizzano comunemente due tipi di tubi leggeri: quelli rigidi e quelli flessibili.

Che cos'è un tubo luminoso rigido?

Che cos'è un tubo luminoso flessibile?

Un tubo di luce flessibile è preferibile quando la luce deve essere spostata su lunghe distanze o intorno a ostacoli tra il LED e un pannello frontale o un'altra posizione del display. Un gruppo di tubi luminosi flessibili è costituito da un adattatore, che garantisce una minore o nulla dispersione della luce, e da una fibra ottica flessibile con un copriobiettivo. I tubi luminosi flessibili sono immuni alle interferenze elettromagnetiche (EMI) e non conducono o trasferiscono impulsi di scarica elettrostatica (ESD).

I tubi luminosi flessibili sono più complessi e più costosi dei tubi luminosi rigidi; essi risolvono i problemi di accessibilità per gli ingegneri dando loro la possibilità di bypassare i componenti sul circuito stampato (PCB) che impediscono un accesso diretto all'area di indicazione sul pannello frontale.

La Figura 5 mostra le varie parti di un progetto di tubo luminoso flessibile. I componenti sono costituiti dal LED nel punto A, da un adattatore SMD-22 che garantisce l'assenza di dispersione della luce in un tubo adiacente, da una fibra ottica in plastica (POF) e da un copriobiettivo nel punto B, collegato alla POF.

I tubi luminosi flessibili facilitano l'aggiunta di altri indicatori o la sostituzione di un gruppo danneggiato, perché il coprilente nel punto B può trovarsi fino a 330 piedi dalla sorgente luminosa a LED nel punto A. Il tubo luminoso e la lente hanno bisogno di molto meno spazio vicino al pannello rispetto al LED e al suo circuito. Se un ingegnere che si occupa di fattori umani scopre che è necessario un altro indicatore e che lo spazio è un problema, è possibile evitare un'ampia riprogettazione aggiungendo un altro indicatore con un adattatore flessibile, instradato da un altro LED che può trovarsi in una posizione completamente diversa dal primo LED. L'accoppiata tempo di progettazione e spazio di progettazione migliora radicalmente i costi in una varietà di settori e applicazioni. Cinque diversi colori del rivestimento POF migliorano l'installazione e l'identificazione visiva sul campo da parte dei tecnici, oltre a chiarire i riferimenti nei manuali d'uso.

Confronto tra tipi rigidi e flessibili

I tubi luminosi rigidi e flessibili offrono due opzioni distinte. Ognuna di esse presenta vantaggi e svantaggi. Ecco alcune linee guida per aiutarvi a fare la scelta giusta.

Considerazioni sulla progettazione per l'utilizzo di tubi luminosi

Il progettista deve prestare molta attenzione all'accoppiamento del tubo luminoso e del LED per ridurre al minimo la perdita di luce e garantire le migliori prestazioni. Il LED deve essere abbinato in modo efficace all'ingresso del tubo luminoso per consentire una corretta cattura della luce con una perdita di luce minima.

Naturalmente, la posizione del tubo luminoso può influire sulle proprietà della luce. Per ridurre al minimo la perdita di luce, la regola generale è quella di utilizzare un LED con un angolo di visione stretto, pari o inferiore a 160 gradi, e di posizionare il tubo luminoso e il LED a una distanza non superiore a 0,05". Per ottenere il prodotto migliore per il vostro progetto c'è qualcosa di più. È qui che entrano in gioco le simulazioni di luce. Contattate il nostro team per eseguire una simulazione e determinare il tubo luminoso ideale per il vostro progetto. Inoltre, non dimenticate i vincoli che potreste avere in base al tipo di tubo luminoso utilizzato: Vincoli di progettazione del tubo leggero rigido Non può essere piegato Limiti di lunghezza: A pressione: 1,20" Personalizzato: 1,5" Standard: fino a 2" con versioni più corte disponibili Vincoli di progettazione dei tubi leggeri flessibili Si piega fino a 30 gradi

L'importanza di ridurre il light bleed

Il light bleed si verifica quando la luce del LED può essere visibile intorno all'area del LED e del tubo luminoso. Il light bleed causa false letture, colori attenuati e confusi, diafonia tra tubi luminosi adiacenti e bagliore indesiderato nell'involucro. Quando un tubo ottico rigido è posizionato sopra il LED, consente una certa dispersione di luce alla base del tubo. Un tubo di luce flessibile è progettato per garantire una minore dispersione della luce con una fibra ottica rivestita e un adattatore nero resistente alla luce.

La massima flessibilità si ha quando il progettista può scegliere se progettare con i singoli componenti (LED e tubo luminoso) o utilizzare una soluzione completa che includa entrambi gli elementi.

I tubi luminosi sono progettati per trasportare la luce dal punto A al punto B nel modo più efficace possibile.

Punto A: Dove si trova l'ingresso o la sorgente luminosa. Nella maggior parte dei casi, si tratta del LED a montaggio superficiale (SMD).

Punto B: La superficie di uscita, ovvero il punto in cui l'utente finale vede la luce sull'interfaccia o sul pannello indicatore del dispositivo.

La perdita di luce, o light bleed, si verifica quando una parte della luce che viaggia dal punto A al punto B sfugge o brilla altrove, per cui è disponibile meno luce per il punto di uscita.

Per ridurre al minimo la perdita di luce, i progettisti possono utilizzare un LED con un angolo di visione stretto anziché uno con un angolo di visione ampio, in modo da ridurre la distanza tra il tubo di luce e il LED in cui la luce potrebbe fuoriuscire. Quanto più ampio è lo spazio tra il tubo ottico e il LED, tanto più la luce può fuoriuscire prima di entrare nel tubo ottico e raggiungere il punto di uscita.

Nota: ci sarà sempre un certo livello di luce che si perde nel tragitto tra il punto in cui si trova il LED e il punto di uscita in cui l'utente finale vede la luce.

Specifiche e opzioni principali

Indipendentemente dal tipo di tubo luminoso scelto, sono disponibili diverse opzioni per ottimizzare il design.

Conoscere le opzioni LED

Un LED a montaggio superficiale (SMD) è montato sulla superficie del PCB e non richiede fori. I LED a foro passante sono montati inserendo i cavi attraverso il PCB e saldandoli per ottenere una connessione più forte tra gli strati, in grado di resistere anche ad alcune condizioni di stress ambientale. Un LED SMD tende a essere più piccolo e più luminoso dell'equivalente a foro passante. Sia i LED a foro passante che quelli SMD sono disponibili in un'ampia gamma di dimensioni, colori, luminosità e potenze inferiori.

Colore del LED. I LED SMD e a foro passante sono disponibili in un'ampia gamma di colori singoli. I LED SMD hanno ulteriori opzioni, tra cui il bianco o il singolo, il bicolore e il tri-colore, in un'ampia gamma di configurazioni di colori. Sono disponibili adattatori per tubi luminosi da utilizzare con entrambi i tipi di LED. Inoltre, il progettista può scegliere un adattatore con un LED incorporato o uno destinato all'uso con un LED separato.

Dimensioni del LED. I LED a montaggio superficiale si basano sulle dimensioni standard del settore, mentre i LED a foro passante sono dimensionati in millimetri (1,8 mm, 3 mm, 5 mm). Ad esempio, un pacchetto 0402 (SM0402) si basa su dimensioni approssimative (lunghezza × larghezza) di circa 0,4 mm di lunghezza per 0,2 mm di larghezza.

Intensità del LED. L'emissione luminosa (intensità di luminosità) dei LED SMD e a foro passante viene comunemente misurata in millicandele (mcd) o lumen (lm). Più alto è il valore in mcd o lm, più luminosa è l'intensità luminosa.

Tutto sulle lenti

La lente è montata o stampata sull'estremità del tubo luminoso; fornisce un comodo indicatore visivo e protegge il tubo luminoso da disturbi meccanici. Alcuni parametri della lente sono:

Profilo dell'obiettivo. Una lente di Fresnel è progettata per mettere a fuoco la luce e fornisce una riduzione delle ombre e dei riflessi e un ampio angolo di visione. Per aumentare l'angolo di visione si può utilizzare anche una semplice lente piatta o una lente a cupola.

Colore della lente. A seconda del modello, sono disponibili lenti diffuse, fumé e a colori (blu, nero, verde, grigio, rosso, giallo).

Dimensioni e forma della lente. È disponibile una varietà di dimensioni delle lenti, tra cui diametri di 2 mm, 3 mm, 4 mm e 5 mm. Sono disponibili forme rotonde, ovali e rettangolari.

Guarnizione di tenuta e grado di protezione IP

Le applicazioni in molti settori devono operare in ambienti difficili, dove è fondamentale che il copriobiettivo sia adeguatamente sigillato contro gli elementi con l'apposito Grado di protezione IP. Il grado di protezione IP di un copriobiettivo indica il livello di protezione che offre contro l'ingresso di corpi solidi, compresa la polvere, e liquidi, compresa l'umidità o l'acqua. Il grado di protezione IP è espresso nella forma "IPXY", dove X e Y sono valori numerici.

La prima cifra del grado di protezione IP indica il livello di protezione contro gli oggetti solidi: da IP0x (nessuna protezione) a IP6x (protezione completa contro la polvere). La seconda cifra si riferisce alla protezione dai liquidi: da IPx0 (nessuna protezione) a IPx9 (protezione contro i getti d'acqua).

Componenti per tubi leggeri

Il design di un tubo luminoso non comprende solo il LED, il tubo e la lente. Per costituire un sistema completo sono necessari altri componenti e per ognuno di essi esistono diverse opzioni.

Tipo di montaggio

Esistono diverse opzioni di montaggio per i tubi luminosi, a seconda dell'applicazione e dei requisiti di produzione.
Se le uniche opzioni fossero quelle flessibili e rigide, le possibilità sarebbero limitate. I tubi luminosi sono progettati per adattarsi a un'ampia gamma di tipi di montaggio.
Oltre alla decisione tra rigido e flessibile, ci sono molte altre considerazioni da fare quando si sceglie un tubo luminoso per il proprio progetto. La fonte di alimentazione e l'ingombro complessivo del progetto possono determinare il tipo di montaggio da utilizzare con il tubo luminoso.