Lichtpijptechnologie en -toepassingen

Light pipes lijken misschien eenvoudig, maar ze vervullen een cruciale rol in het ontwerp van elektronische apparatuur; het gebruik ervan kan de lay-out van PCB's vereenvoudigen, het werk van de human factors engineer verlichten en een compacter ontwerp mogelijk maken.

Dit artikel bespreekt de functie van light pipes, de technologie erachter, de onderliggende fysica en de keuzes en opties die beschikbaar zijn voor de ontwerper van apparatuur.

Wat is een lichtpijp?

Een lichtpijp is een massieve doorzichtige plastic staaf of een optische vezel die wordt gebruikt om licht van een op het bord gemonteerde LED door te geven naar een andere plaats waar het gemakkelijk kan worden bekeken, zoals een indicatorpaneel van een elektronische module.

Ze bieden verschillende voordelen, waaronder een schone statusaanduiding en eenvoudiger ontwerp door menselijke factoren. Het niet-geleidende lichtpad vereist geen soldeer- of krimpaansluitingen en elimineert de kans op kortsluiting door geknelde draden; soldeer- of krimpaansluitingen zijn niet nodig.

Lichtpijpen zijn cruciale componenten in veel moderne elektronicatoepassingen. Het toevoegen van een lichtpijp is een kosteneffectieve oplossing om veel van de stappen te elimineren die anders nodig zijn om licht van de ene plaats naar de andere te transporteren.

Hoe worden ze gebruikt?

Lichte buizen hebben toepassingen in verschillende industrieën.

Afhankelijk van de apparatuur en het ontwerp van de gebruikersinterface van een apparaat, kan een product meer dan één - en zelfs veel - indicatoren nodig hebben. Voor ontwerpen die meerdere indicatoren vereisen, zijn light pipes een ideale oplossing vanwege hun lage kosten, uitstekende visuele communicatie en ontwerpflexibiliteit.

Hoe ze werken

Een lichtpijp wordt heel dicht bij een LED-lichtbron geplaatst aan één uiteinde van een printplaat. De optische materialen dragen de lichtstralen naar de gewenste bestemming, meestal de gebruikersinterface van een apparaat. Light pipes verzenden ruwweg 80 tot 90 procent van het licht van de LED-bron, afhankelijk van het ontwerp en de afstand. Hoe dichter de lichtpijpen zich bij de LED('s) bevinden, hoe efficiënter ze het licht kunnen overbrengen. Natuurlijk moet(en) de gebruikte light pipe(s) berekend zijn op dezelfde hoeveelheid warmte die wordt geproduceerd door de LED of lichtbron, dus dat moet ook een ontwerpoverweging zijn die de minimaal toegestane afstand tussen de light pipe en de lichtbron kan bepalen.

Lichte pijp categorieën

Er worden gewoonlijk twee soorten lichtbuizen gebruikt: harde en flexibele buizen.

Wat is een stijve lichtpijp?

Wat is een flexibele lichtpijp?

Een flexibele lichtpijp heeft de voorkeur als het licht over langere afstanden of rond obstakels tussen de LED en een voorpaneel of andere displaylocatie moet worden verplaatst. Een flexibele lichtpijp bestaat uit een adapter, die minder tot geen lichtverlies veroorzaakt, en een flexibele optische vezel met een lenskap. Flexibele lichtbuizen zijn immuun voor elektromagnetische interferentie (EMI) en geleiden of geleiden geen elektrostatische ontladingspulsen (ESD).

Flexibele lichtbuizen zijn complexer en duurder dan starre lichtbuizen; ze lossen toegankelijkheidsproblemen voor ingenieurs op door hen de flexibiliteit te geven om componenten op de printplaat (PCB) te omzeilen die een rechtlijnige toegang tot het indicatiegebied op het voorpaneel verhinderen.

Figuur 5 toont de verschillende onderdelen van een flexibele lichtpijp. De onderdelen bestaan uit de LED op punt A; een SMD-22 adapter die ervoor zorgt dat er geen licht in een aangrenzende buis valt; een plastic optische vezel (POF); en een lenskap op punt B die aan de POF is gelijmd.

Flexibele lichtpijpen maken het eenvoudig om extra indicators toe te voegen of een beschadigde assemblage te vervangen omdat de lenskap op punt B tot 30 meter verwijderd kan zijn van de LED-lichtbron op punt A. De lichtpijp en lens hebben veel minder ruimte nodig in de buurt van de voorkant van het paneel dan de LED en het circuit. Als een human-factors engineer vindt dat er nog een indicator nodig is en ruimte een probleem is, kan een groot herontwerp worden vermeden door nog een indicator toe te voegen met een flexibele adapter die wordt geleid vanuit een andere LED die zich op een heel andere locatie kan bevinden dan de eerste LED. De koppeling van ontwerptijd en ontwerpruimte zorgt voor een radicale verbetering van de kosten in verschillende industrieën en toepassingen. Vijf verschillende POF-mantelkleuren verbeteren de installatie en visuele identificatie in het veld door technici en verduidelijken verwijzingen in gebruikershandleidingen.

Vergelijking tussen stijve en flexibele types

Stijve en flexibele lichtbuizen bieden twee verschillende opties. Elke optie heeft voor- en nadelen. Hier volgen enkele richtlijnen om je te helpen de juiste keuze te maken.

Ontwerpoverwegingen voor het gebruik van light pipes

De ontwerpingenieur moet veel aandacht besteden aan de combinatie van de lichtpijp en de LED om lichtverlies te minimaliseren en de beste prestaties te garanderen. De LED moet effectief worden afgestemd op de ingang van de lichtpijp om een goede lichtopvang met minimaal lichtverlies mogelijk te maken.

Natuurlijk kan de positie van de lichtpijp de lichteigenschappen beïnvloeden. Om lichtverlies te minimaliseren, is een algemene regel om een LED te gebruiken met een smalle kijkhoek van 160 graden of minder en de lichtpijp en LED niet meer dan 0,05" uit elkaar te plaatsen. Er komt iets meer bij kijken om het beste product voor je ontwerp te krijgen. Dat is waar lichtsimulaties van pas komen. Neem contact op met ons team om een simulatie uit te voeren en de ideale lichtpijp voor uw ontwerp te bepalen. En vergeet niet welke beperkingen u mogelijk hebt op basis van het type lichtpijp dat u gebruikt: Ontwerpbeperkingen voor stijve lichte buizen Kan niet worden gebogen Lengtebeperkingen: Perspassing: 1,20" Aangepast: 1,5" Standaard: tot 2" met kortere versies verkrijgbaar Flexibele ontwerpbeperkingen voor lichte buizen Buigt tot 30 graden

Het belang van het verminderen van lichtbloedingen

Lichtverlies treedt op wanneer licht van de LED zichtbaar is rond de LED en de lichtpijp. Lichtafval veroorzaakt foutieve aflezingen, gedempte en vervaagde kleuren, overspraak tussen aangrenzende lichtpijpen en ongewenste gloed in de behuizing. Wanneer een starre lichtpijp over de LED wordt geplaatst, is een zekere mate van lichtverlies aan de basis van de lichtpijp mogelijk. Een flexibele lichtpijp is ontworpen om minder lichtverlies te veroorzaken met een gecoate optische vezel en een lichtbestendige zwarte adapter.

De maximale flexibiliteit treedt op wanneer de ontwerper kan kiezen tussen het ontwerpen met afzonderlijke componenten (LED en lichtpijp) of het gebruik van een complete oplossing die beide elementen omvat.

Lichtbuizen zijn ontworpen om licht zo effectief mogelijk van punt A naar punt B te brengen.

Punt A: Waar de ingang of lichtbron zich bevindt. In de meeste gevallen is dit de SMD LED (surface-mount).

Punt B: Het uitgangsoppervlak, of waar de eindgebruiker het licht ziet op de interface of het indicatorpaneel van het apparaat.

Lichtverlies, of light bleed, treedt op wanneer een deel van het licht dat van punt A naar punt B reist, ontsnapt of elders schijnt, zodat er minder licht beschikbaar is om op het vertrekpunt te schijnen.

Om de hoeveelheid lichtverlies te minimaliseren, kunnen ontwerpers een LED met een smalle kijkhoek gebruiken in plaats van een met een brede kijkhoek om de afstand tussen de lichtpijp en de LED, waar licht zou kunnen ontsnappen, te verkleinen. Hoe breder de afstand tussen de lichtpijp en de LED, hoe meer ruimte er is voor het licht om te ontsnappen voordat het de lichtpijp ingaat en naar de uitgang gaat.

Opmerking: Er gaat altijd een beetje licht verloren op weg van de plaats waar de LED zich bevindt naar het punt waar de eindgebruiker het licht ziet.

Belangrijkste specificaties en opties

Welk type lichtpijp ook wordt gekozen, er zijn meerdere opties beschikbaar om het ontwerp te optimaliseren.

Begrijp uw LED opties

Een SMD-led (surface mount) wordt op het oppervlak van de printplaat gemonteerd en heeft geen gaten nodig. Through-hole LED's worden gemonteerd door draden door de printplaat te steken en te solderen voor een sterkere verbinding tussen de lagen, die ook bestand is tegen bepaalde omgevingsbelastingen. Een SMD LED is meestal kleiner en helderder dan het door-gat equivalent. Zowel LED's met doorlopende gaten als SMD LED's zijn verkrijgbaar in een groot aantal maten, kleuren, lichtsterktes en lagere wattage.

LED-kleur. SMD LED's en doorlopende LED's zijn verkrijgbaar in een breed scala aan afzonderlijke kleuren. SMD LED's hebben extra opties, waaronder wit of enkelvoudig, bi-color en driekleurig, in een scala aan kleurconfiguraties. Er zijn lichtpijpadapters beschikbaar voor gebruik met beide soorten LED's. Daarnaast kan de ontwerper kiezen voor een adapter met een ingebouwde LED of een adapter die bedoeld is voor gebruik met een afzonderlijke LED.

LED-grootte. Opbouw-LED's zijn gebaseerd op standaardmaten in de industrie en LED's met doorlopende gaten hebben afmetingen in millimeters (1,8 mm, 3 mm, 5 mm). Een 0402-pakket (SM0402) is bijvoorbeeld gebaseerd op geschatte afmetingen (lengte × breedte) van ruwweg 0,4 mm lang bij 0,2 mm breed.

LED-intensiteit. De lichtopbrengst (helderheidsintensiteit) van SMD-LED's en doorlopende LED's wordt gewoonlijk gemeten in millicandela's (mcd) of lumen (lm). Hoe hoger de mcd- of lm-waarde, hoe helderder de lichtintensiteit.

Alles over lenzen

De lens wordt op het uiteinde van de lichtpijp gemonteerd of gegoten; hij zorgt voor een handige visuele indicator en beschermt de lichtpijp ook tegen mechanische storingen. Enkele lensparameters zijn:

Lensprofiel. Een Fresnel lens is ontworpen om licht te focussen en biedt minder schaduw en schittering, en een brede kijkhoek. Een eenvoudig vlak lensprofiel of een koepellens wordt ook gebruikt voor een grotere kijkhoek.

Kleur lens. Afhankelijk van het model zijn er diffuse, gerookte en gekleurde (blauw, zwart, groen, grijs, rood, geel) lensopties beschikbaar.

Grootte en vorm van de lens. Er zijn verschillende lensmaten beschikbaar, waaronder diameters van 2 mm, 3 mm, 4 mm en 5 mm. Ronde, ovale en rechthoekige vormen zijn verkrijgbaar.

Afdichtingspakking en IP-waarde

Toepassingen in veel industrieën moeten werken in ruwe omgevingen waar het van cruciaal belang is dat de lensdop goed is afgedicht tegen de elementen met de juiste IP-waarde. De IP-classificatie van een lensdop geeft het beschermingsniveau aan dat wordt geboden tegen het binnendringen van vaste stoffen, waaronder stof, en vloeistoffen, waaronder vocht of water. Een IP-classificatie wordt uitgedrukt in de vorm "IPXY", waarbij X en Y numerieke waarden zijn.

Het eerste cijfer in een IP-classificatie geeft de mate van bescherming tegen vaste voorwerpen aan: van IP0x (geen bescherming) tot IP6x (volledige bescherming tegen stof). Het tweede cijfer verwijst naar de bescherming tegen vloeistoffen: van IPx0 (geen bescherming) tot IPx9 (bescherming tegen waterstralen).

Onderdelen voor lichte buizen

Een lichtpijpontwerp omvat meer dan alleen de LED, de pijp en de lens. Er zijn extra onderdelen nodig om een compleet systeem te maken en er zijn verschillende opties voor elk onderdeel.

Type montage

Er zijn verschillende montagemogelijkheden voor light pipes, afhankelijk van uw toepassing en productievereisten.
Als flexibel en stijf de enige opties waren, zouden uw mogelijkheden beperkt zijn. Light pipes zijn ontworpen voor een breed scala aan montagetypes.
Naast de keuze tussen stijf en flexibel zijn er nog een aantal andere overwegingen bij het kiezen van een lichtpijp voor uw ontwerp. Uw voedingsbron en de totale voetafdruk van het ontwerp kunnen bepalen welk montagetype u moet gebruiken voor uw lichtpijp.