Tecnologia e applicazioni delle fibre ottiche
I conduttori di luce possono sembrare semplici, ma svolgono un ruolo fondamentale nella progettazione delle apparecchiature elettroniche; il loro utilizzo può semplificare il layout dei circuiti stampati, facilitare il lavoro dei progettisti di ergonomia e consentire una progettazione più compatta.
Questo articolo tratterà il funzionamento dei conduttori di luce, la tecnologia su cui si basano, i principi fisici sottostanti e le scelte e le opzioni a disposizione dei progettisti di apparecchiature.
Un conduttore di luce è un'asta di plastica trasparente e solida oppure una fibra ottica utilizzata per trasmettere la luce da un LED montato su scheda a un altro punto in cui possa essere comodamente visibile, come ad esempio il pannello indicatore di un modulo elettronico.
Offrono numerosi vantaggi, tra cui una chiara indicazione dello stato e una progettazione ergonomica più semplice. Il percorso ottico non conduttivo non richiede saldature né terminazioni a crimpare ed elimina il rischio di cortocircuiti dovuti a fili schiacciati; non sono necessarie né saldature né terminazioni a crimpare.
I conduttori di luce sono componenti fondamentali in molte applicazioni elettroniche moderne. L'aggiunta di un conduttore di luce rappresenta una soluzione economicamente vantaggiosa che consente di eliminare molte delle fasi altrimenti necessarie per convogliare la luce da un punto all'altro.
I conduttori di luce trovano applicazione in diversi settori industriali.
A seconda dell’equipaggiamento e del design dell’interfaccia utente di un dispositivo, un prodotto può richiedere più di un indicatore — e fino a molti. Per i progetti che richiedono più indicatori, i conduttori di luce rappresentano una soluzione ideale grazie al loro basso costo, all’eccellente comunicazione visiva e alla flessibilità di progettazione.
Assistenza sanitaria
Nel settore sanitario, le soluzioni di segnalazione e illuminazione a LED consentono la realizzazione di interfacce uomo-macchina (HMI) fondamentali in una vasta gamma di applicazioni tecnologiche mediche.
Tra le applicazioni mediche dei conduttori di luce figurano:
- Tecnologie per la vita connessa
- Dispositivi medici monouso
- Dispositivi medici intelligenti
- Interfaccia medico-uomo-macchina
Automazione e controllo industriale
I conduttori di luce contribuiscono a garantire sicurezza, affidabilità e conformità in ambienti difficili, come quelli tipici delle attività industriali. Le tecnologie integrate di segnalazione e illuminazione migliorano il monitoraggio degli impianti di produzione per proteggere le risorse da condizioni pericolose.
Tra le applicazioni industriali figurano
- Sistemi di controllo per macchinari industriali
- Fabbriche digitali
- Industria 4.0
- Edifici intelligenti
Veicoli elettrici, guida autonoma e settore automobilistico, trasporti
I conduttori di luce soddisfano i requisiti di segnalazione e illuminazione a LED di questo mercato in rapida espansione, che comprende i veicoli elettrici e le relative infrastrutture di ricarica, nonché i mezzi di trasporto non automobilistici.
Tra le applicazioni nel settore dei trasporti figurano:
- Veicoli elettrici
- Veicoli autonomi
- Trasporti interconnessi
- Mobilità ibrida ed elettrica
Energia rinnovabile
I conduttori ottici garantiscono un funzionamento affidabile anche nelle condizioni più estreme. L'acqua, le temperature estreme e le vibrazioni impongono che la progettazione dei prodotti sia conforme alle rigorose linee guida normative ISO.
I conduttori di luce trovano impiego in diversi settori:
- Energia eolica
- Energia solare
- Attività relative alle serre
- Agricoltura
Comunicazioni
Nell’ambito dell’infrastruttura in espansione che favorisce la connettività a livello mondiale, i conduttori ottici convogliano la luce attraverso sistemi complessi: dai server e dall’edge computing ai data center e all’infrastruttura dei sistemi 5G.
Tra gli esempi di applicazioni nel campo delle comunicazioni figurano:
- Centri dati
- Cloud computing
- Archiviazione
- 5G/IoT
Un conduttore di luce viene posizionato molto vicino a una sorgente luminosa a LED su un’estremità di una scheda PCB. I suoi materiali di grado ottico contribuiscono a convogliare i raggi di luce verso la destinazione desiderata, in genere l’interfaccia utente di un dispositivo. I conduttori di luce trasmettono circa l’80-90 per cento della luce proveniente dalla sorgente LED, a seconda del design e della distanza. Più i conduttori di luce sono vicini ai LED, maggiore è l’efficienza con cui possono trasferire la luce. Naturalmente, i conduttori di luce utilizzati dovranno essere progettati per sopportare la stessa quantità di calore prodotta dal LED o dalla sorgente luminosa; pertanto, questo aspetto deve essere preso in considerazione in fase di progettazione, in quanto può determinare la distanza minima consentita tra il conduttore di luce e la sorgente luminosa.
Indice di rifrazione: il mezzo è fondamentale
La luce non si comporta sempre allo stesso modo, il che rende la progettazione dei conduttori ottici ancora più complessa. Perché?
Torniamo alla lezione di fisica e impariamo cos’è la rifrazione.
Rifrazione è definito come il cambiamento di direzione di un'onda nel passaggio da un mezzo a un altro o a seguito di un cambiamento graduale del mezzo stesso.
Pertanto, oltre a tutte le altre variabili che influenzano la progettazione dei conduttori di luce (dimensioni, forma, luminosità, distanza dal LED, angolo di visione e materiale utilizzato, solo per citarne alcune), i progettisti devono tenere conto anche dell’indice di rifrazione.
L'indice di rifrazione viene utilizzato per determinare la velocità con cui la luce si propaga attraverso un mezzo.
Si calcola come n = c/v, dove c è la velocità della luce e v è la velocità della luce in quel determinato mezzo.
Questo numero indica in che misura la luce viene deviata o rifratta quando colpisce il mezzo. Indica inoltre la quantità di luce che viene riflessa quando raggiunge il mezzo.
Nel vuoto, l’indice di rifrazione della luce è pari a 1,0. Tuttavia, poiché nessuno progetta conduttori ottici destinati a essere utilizzati in questo tipo di vuoto, è necessario prestare particolare attenzione per ottimizzarne le prestazioni.
Inoltre, qualsiasi valore superiore a 1,0 indica una velocità di propagazione inferiore rispetto a quella nel vuoto.
Indici di rifrazione:
Aria, il tasso è pari a 1,003
Acqua, il tasso è pari a 1,33
Acrilico, che è il materiale di cui sono fatti la maggior parte dei conduttori ottici — è pari a circa 1,49.
L'indice di rifrazione non è l'unico valore da considerare quando si tratta di come una superficie influisce sulla luce.
C'è anche riflessione interna totale (TIR), ovvero l'angolo con cui la luce viene riflessa quando nessuna parte di essa attraversa la superficie per uscire, ma viene invece riflessa da una superficie all'altra, dove risulta visibile.
Fonte: https://www.physicsclassroom.com/class/refrn/Lesson-3/Total-Internal-Reflection
Il TIR è un fenomeno che si verifica quando l'angolo di incidenza è superiore a un determinato angolo limite, denominato angolo critico.
Perché il TIR è importante nella progettazione dei conduttori di luce?
Spesso si utilizzano i conduttori di luce per convogliare la luce lungo gli angoli. Per garantire che la luce rimbalzi con l’angolo critico e raggiunga il punto finale con la massima efficacia, è fondamentale conoscere l’angolo critico dei vari materiali.
Per il policarbonato trasparente, l'angolo critico è 39, mentre per l'acrilico è 42.
Comprendere come la luce si comporta in diversi scenari consentirà di ottenere prestazioni migliori e più ottimizzate dei conduttori di luce.
Ad esempio, quando si utilizza un conduttore di luce ad angolo retto, ecco come la tecnologia TIR influirebbe sulle specifiche:
Quando si progettano i conduttori di luce, la maggior parte delle persone parte dal presupposto che la luce si comporti come la corrente elettrica e trascura il TIR.
Poiché la luce presenta proprietà uniche, la progettazione di un conduttore di luce come quello illustrato sopra con angolo retto comporterà una significativa perdita di luce al TIR. Per evitare la perdita di luce, occorre tenere conto dell’angolo critico per creare una geometria che guidi la luce aggirando l’angolo critico senza che questa fuoriesca. Questo concetto si applica anche ai conduttori di luce con angoli arrotondati (o a qualsiasi geometria prevista dal proprio progetto).
Si utilizzano comunemente due tipi di conduttori di luce: quelli rigidi e quelli flessibili.
Un conduttore di luce rigido è progettato per convogliare la luce su brevi distanze in condizioni di vibrazioni da moderate ad elevate e in ambienti umidi o polverosi. I conduttori di luce rigidi sono disponibili in numerose configurazioni, tra cui quelle verticali, ad angolo retto e a più livelli, e sono progettati per distanze fino a 3 pollici. Un conduttore di luce rigido è realizzato in policarbonato.
I conduttori di luce rigidi sono disponibili in numerose configurazioni, tra cui modelli diritti, ad angolo retto, a unità singola o multipla, impilati o disposti verticalmente. I conduttori di luce rigidi, dotati di un sistema di fissaggio filettato per impieghi gravosi con grado di protezione IP67, garantiscono la massima protezione contro la penetrazione di liquidi e polvere. Sono disponibili soluzioni complete che includono il conduttore di luce, il LED e un adattatore per montaggio a superficie.
Nel complesso, i conduttori di luce rigidi rappresentano una soluzione economica per convogliare la luce da un LED all'area di indicazione sul pannello frontale quando è possibile l'accesso diretto.
Si preferisce utilizzare un conduttore ottico flessibile quando è necessario convogliare la luce su distanze maggiori o aggirare ostacoli tra il LED e un pannello frontale o un’altra posizione di visualizzazione. Un gruppo di conduttori di luce flessibili è costituito da un adattatore, che garantisce una dispersione della luce minima o nulla, e da una fibra ottica flessibile dotata di un copriobiettivo. I conduttori di luce flessibili sono immuni alle interferenze elettromagnetiche (EMI) e non conducono né trasferiscono impulsi di scarica elettrostatica (ESD).
I conduttori di luce flessibili sono più complessi e costosi rispetto a quelli rigidi; risolvono le difficoltà di accessibilità per gli ingegneri, offrendo loro la flessibilità necessaria per aggirare i componenti presenti 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 sistema di conduzione della luce flessibile. I componenti sono costituiti dal LED nel punto A; da un adattatore SMD-22 che impedisce la dispersione della luce in un condotto adiacente; da una fibra ottica in plastica (POF); e da un copriobiettivo nel punto B, incollato alla POF.
I conduttori di luce flessibili facilitano l’aggiunta di indicatori aggiuntivi o la sostituzione di un gruppo danneggiato, poiché il copriobiettivo nel punto B può trovarsi fino a 330 piedi di distanza dalla sorgente luminosa a LED nel punto A. Il conduttore di luce e la lente richiedono molto meno spazio in prossimità della superficie del pannello rispetto al LED e ai relativi circuiti. Se un ingegnere specializzato in ergonomia ritiene che sia necessario un altro indicatore e lo spazio è un problema, è possibile evitare una riprogettazione su larga scala aggiungendo un altro indicatore tramite un adattatore flessibile collegato a un altro LED che potrebbe trovarsi in una posizione completamente diversa rispetto al primo LED. La combinazione di tempi e spazio di progettazione migliora radicalmente la gestione dei costi in una varietà di settori e applicazioni. I cinque diversi colori della guaina del POF facilitano l’installazione e l’identificazione visiva sul campo da parte dei tecnici, oltre a rendere più chiari i riferimenti nei manuali d’uso.
I conduttori di luce rigidi e flessibili offrono due opzioni distinte. Ciascuna presenta vantaggi e svantaggi. Ecco alcune linee guida per aiutarti a fare la scelta giusta.
Si consideri un Conduttore di luce rigido se questi parametri si applicano al tuo progetto:
- La luce deve percorrere solo una breve distanza
- Il basso costo è una priorità assoluta
- Il circuito stampato è posizionato vicino al pannello frontale ed è facilmente accessibile
Valuta la possibilità di utilizzare un Conduttore ottico flessibile se:
- La luce deve percorrere una lunga distanza
- Il design dell'apparecchiatura non consente un percorso diretto dal LED alla lente del display
- È possibile che in seguito si renda necessario aggiungere ulteriori indicatori
- La progettazione incentrata sui fattori umani non è ancora stata completata
- La luce emessa dal LED deve attraversare un ambiente con elevate interferenze elettromagnetiche prima di raggiungere il copriobiettivo
Il progettista deve prestare particolare attenzione all'abbinamento tra il conduttore di luce e il LED, al fine di ridurre al minimo la perdita di luce e garantire le migliori prestazioni. Il LED deve essere abbinato in modo ottimale all'ingresso del conduttore di luce per consentire una corretta cattura della luce con perdite minime.
Naturalmente, la posizione del conduttore di luce può influire sulle proprietà della luce. Per ridurre al minimo la perdita di luce, una regola generale è quella di utilizzare un LED con un angolo di visione ristretto, pari o inferiore a 160 gradi, e di posizionare il conduttore di luce e il LED a una distanza massima di 0,05” l’uno dall’altro. Ma per ottenere il prodotto migliore per il vostro progetto occorre considerare qualche altro aspetto. È qui che entrano in gioco le simulazioni luminose. Contattate il nostro team per eseguire una simulazione e individuare il conduttore di luce ideale per il vostro progetto. Inoltre, non dimenticate i vincoli che potrebbero derivare dal tipo di conduttore di luce utilizzato: Vincoli di progettazione dei conduttori di luce rigidi Non pieghevole. Limiti di lunghezza: montaggio a pressione: 1,20”; personalizzato: 1,5”; standard: fino a 2”, con versioni più corte disponibili Vincoli di progettazione dei conduttori di luce flessibili Si piega fino a 30 gradi
Posizione del conduttore di luce
La dispersione luminosa si verifica quando la luce emessa dal LED è visibile intorno al LED stesso e all’area del conduttore ottico. La dispersione luminosa causa letture errate, colori smorzati e confusi, diafonia tra conduttori ottici adiacenti e un bagliore indesiderato all’interno dell’involucro. Quando un conduttore di luce rigido è posizionato sopra il LED, consente una certa quantità di dispersione luminosa alla base del conduttore stesso. Un conduttore di luce flessibile è progettato per ridurre al minimo la dispersione luminosa grazie a una fibra ottica rivestita e a un adattatore nero resistente alla luce.
La massima flessibilità si ottiene quando il progettista può scegliere se progettare utilizzando singoli componenti (LED e guida di luce) oppure ricorrere a una soluzione completa che includa entrambi gli elementi.
I conduttori di luce sono progettati per convogliare la luce dal punto A al punto B nel modo più efficiente possibile.
Punto A: Dove si trova l'ingresso o la sorgente luminosa. Nella maggior parte dei casi, si tratta di un 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 dispersione luminosa, si verifica quando parte della luce che viaggia dal punto A al punto B sfugge o si diffonde altrove, riducendo così la quantità di luce disponibile nel punto di uscita.
Perdita di luce
Più luce
Per ridurre al minimo la perdita di luce, i progettisti possono utilizzare un LED con un angolo di visione ristretto anziché uno con un angolo di visione ampio, in modo da ridurre la distanza tra il conduttore di luce e il LED, da cui la luce potrebbe fuoriuscire. Maggiore è lo spazio tra il conduttore di luce e il LED, maggiore è la possibilità che la luce fuoriesca prima di entrare nel conduttore di luce e raggiungere il punto di uscita.
Nota: Ci sarà sempre una certa quantità di luce che va persa durante il percorso dal punto in cui si trova il LED al punto di uscita in cui l'utente finale vede la luce.
Indipendentemente dal tipo di conduttore di luce scelto, sono disponibili diverse opzioni per ottimizzare il progetto.
Un LED a montaggio superficiale (SMD) viene montato sulla superficie del circuito stampato e non richiede fori. I LED a foro passante vengono montati inserendo i terminali attraverso il circuito stampato e saldandoli, in modo da garantire un collegamento più solido tra gli strati, in grado di resistere anche ad alcune condizioni di stress ambientale. Un LED SMD tende ad essere più piccolo e più luminoso rispetto al suo equivalente a foro passante. Sia i LED a foro passante che quelli SMD sono disponibili in un’ampia gamma di dimensioni, colori, livelli di luminosità e potenze ridotte.
Colore del LED. I LED SMD e quelli a foro passante sono disponibili in un’ampia gamma di colori singoli. I LED SMD offrono ulteriori opzioni, tra cui bianco o monocolore, bicolore e tricolore, in una vasta gamma di configurazioni cromatiche. Sono disponibili adattatori per guide di luce utilizzabili con entrambi i tipi di LED. Inoltre, il progettista può scegliere un adattatore con LED integrato oppure uno destinato all’uso con un LED separato.
Dimensioni dei LED. I LED a montaggio superficiale si basano su dimensioni standard del settore, mentre quelli a foro passante sono misurati in millimetri (1,8 mm, 3 mm, 5 mm). Ad esempio, un contenitore 0402 (SM0402) si basa su dimensioni approssimative (lunghezza × larghezza) di circa 0,4 mm di lunghezza per 0,2 mm di larghezza.
Intensità dei LED. L'emissione luminosa (intensità luminosa) dei LED SMD e dei LED a foro passante viene solitamente misurata in millicandele (mcd) o lumen (lm). Maggiore è il valore in mcd o lm, maggiore è l'intensità luminosa.
La lente è montata o stampata all'estremità del conduttore di luce; funge da pratico indicatore visivo e protegge inoltre il conduttore di luce da eventuali urti. Alcuni parametri della lente sono:
Profilo dell'obiettivo. Una lente di Fresnel è progettata per focalizzare la luce e garantisce una riduzione delle ombre e dell’abbagliamento, oltre a un ampio angolo di visione. Per aumentare l’angolo di visione si ricorre anche a una semplice lente a profilo piatto o a una lente a cupola.
Colore delle lenti. A seconda del modello, sono disponibili lenti diffuse, fumé e colorate (blu, nero, verde, grigio, rosso, giallo).
Dimensioni e forma delle lenti. È disponibile una vasta gamma di dimensioni delle lenti, con diametri di 2 mm, 3 mm, 4 mm e 5 mm. Sono disponibili forme rotonde, ovali e rettangolari.
In molti settori industriali, le apparecchiature devono funzionare in condizioni ambientali difficili, dove è fondamentale che il copriobiettivo sia adeguatamente sigillato per proteggerlo dagli agenti atmosferici con l'appropriato Grado di protezione IP. Il grado di protezione IP di un copriobiettivo indica il livello di protezione che offre contro la penetrazione di corpi solidi, compresa la polvere, e di 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 di un codice IP indica il livello di protezione contro l'ingresso di corpi solidi: da IP0x (nessuna protezione) a IP6x (protezione totale contro la polvere). La seconda cifra si riferisce alla protezione contro i liquidi: da IPx0 (nessuna protezione) a IPx9 (protezione contro i getti d'acqua).
La progettazione di un conduttore di luce non si limita al LED, al conduttore e alla lente. Per realizzare un sistema completo sono necessari ulteriori componenti, e per ciascuno di essi sono disponibili diverse opzioni.
Esistono diverse opzioni di montaggio per i conduttori di luce, a seconda dell'applicazione e dei requisiti di produzione.
Se le uniche opzioni disponibili fossero quelle flessibili e rigide, le tue possibilità potrebbero essere limitate. I conduttori di luce sono progettati per adattarsi a un’ampia gamma di tipi di montaggio.
Oltre alla scelta tra versione rigida e flessibile, ci sono diverse altre considerazioni da tenere presenti nella scelta di un conduttore di luce per il proprio progetto. La fonte di alimentazione e l'ingombro complessivo del progetto possono determinare quale tipo di montaggio utilizzare con il conduttore di luce.
THR-22
THR-5-22
SMD-22
