Light Pipe-technologie en toepassingen
Lichtgeleiders lijken misschien eenvoudig, maar ze spelen een cruciale rol bij het ontwerpen van elektronische apparatuur; het gebruik ervan kan de lay-out van printplaten vereenvoudigen, het werk van de ergonoom vergemakkelijken en een compacter ontwerp mogelijk maken.
In dit artikel wordt ingegaan op de werking van lichtgeleiders, de technologie erachter, de onderliggende fysica en de keuzes en mogelijkheden waarover de ontwerper van apparatuur beschikt.
Een lichtgeleider is een massieve, doorzichtige kunststofstaaf of een optische vezel die wordt gebruikt om licht van een op een printplaat gemonteerde LED door te geven naar een andere plek waar het goed zichtbaar is, zoals een indicatorpaneel van een elektronische module.
Ze bieden verschillende voordelen, waaronder een duidelijke statusindicatie en een eenvoudigere ergonomie. Dankzij het niet-geleidende lichtpad zijn er geen soldeer- of krimpverbindingen nodig en wordt het risico op kortsluiting door beknelde draden uitgesloten; er zijn geen soldeer- of krimpverbindingen nodig.
Lichtgeleiders zijn essentiële onderdelen in veel moderne elektronische toepassingen. Het toevoegen van een lichtgeleider is een kosteneffectieve oplossing waarmee veel van de stappen kunnen worden overgeslagen die anders nodig zouden zijn om licht van de ene plaats naar de andere te transporteren.
Lichtgeleiders worden in diverse sectoren toegepast.
Afhankelijk van de apparatuur en het ontwerp van de gebruikersinterface van een apparaat kan een product meer dan één — en zelfs heel veel — indicatoren nodig hebben. Voor ontwerpen waarbij meerdere indicatoren nodig zijn, vormen lichtgeleiders een ideale oplossing vanwege hun lage kosten, uitstekende visuele communicatie en ontwerpflexibiliteit.
Gezondheidszorg
In de gezondheidszorg maken LED-indicatie- en verlichtingsoplossingen cruciale ontwerpen voor mens-machine-interfaces (HMI’s) mogelijk in een breed scala aan medisch-technologische toepassingen.
Medische toepassingen van lichtgeleiders zijn onder meer:
- Technologieën voor het verbonden leven
- Medische wegwerpartikelen
- Medische slimme apparaten
- Medische mens-machine-interface
Industriële automatisering en besturing
Lichtgeleiders dragen bij aan de veiligheid, betrouwbaarheid en naleving van voorschriften in veeleisende omgevingen, zoals die in industriële toepassingen. Geïntegreerde indicatie- en verlichtingstechnologieën verbeteren het toezicht op de productievloer om bedrijfsmiddelen te beschermen tegen gevaarlijke omstandigheden.
Industriële toepassingen zijn onder meer
- Besturingen voor industriële machines
- Digitale fabrieken
- Industrie 4.0
- Slimme gebouwen
EV, autonoom rijden & auto-industrie, vervoer
Lichtgeleiders voldoen aan de eisen op het gebied van LED-indicatie en -verlichting van deze snel groeiende markt, die zowel elektrische voertuigen en de bijbehorende laadinfrastructuur omvat als vervoersmiddelen buiten de automobielsector.
Voorbeelden van toepassingen op het gebied van transport zijn:
- Elektrische voertuigen
- Zelfrijdende voertuigen
- Aangesloten vervoer
- Hybride en elektrische mobiliteit
Hernieuwbare energie
Lichtgeleiders zorgen voor een betrouwbare werking onder de zwaarste omstandigheden. Water, extreme temperaturen en trillingen vereisen dat productontwerpen voldoen aan strenge ISO-richtlijnen.
Lichtgeleiders worden op verschillende gebieden gebruikt:
- Windenergie
- Zonne-energie
- Kassenbedrijven
- Landbouw
Communicatie
Als onderdeel van de groeiende infrastructuur die wereldwijde connectiviteit mogelijk maakt, geleiden lichtgeleiders het licht door complexe systemen: van servers en edge computing tot datacenters en 5G-systeeminfrastructuur.
Voorbeelden van toepassingen op het gebied van communicatie zijn onder meer:
- Datacenters
- Cloud computing
- Opslag
- 5G/IoT
Een lichtgeleider wordt aan één uiteinde van een printplaat zeer dicht bij een LED-lichtbron geplaatst. De materialen van optische kwaliteit zorgen ervoor dat de lichtstralen naar de gewenste bestemming worden geleid, meestal naar de gebruikersinterface van een apparaat. Lichtgeleiders laten ongeveer 80 tot 90 procent van het licht van de LED-bron door, afhankelijk van het ontwerp en de afstand. Hoe dichter de lichtgeleiders bij de LED(s) staan, hoe efficiënter ze licht kunnen overbrengen. Uiteraard moeten de gebruikte lichtgeleiders bestand zijn tegen dezelfde hoeveelheid warmte die door de LED of lichtbron wordt geproduceerd; dit is dus ook een ontwerpoverweging die bepalend kan zijn voor de minimaal toegestane afstand tussen de lichtgeleider en de lichtbron.
Brekingsindex: het medium is van belang
Licht gedraagt zich niet altijd op dezelfde manier, wat het ontwerp van lichtgeleiders des te complexer maakt. Waarom?
Laten we even teruggaan naar de natuurkundeles en iets leren over lichtbreking.
Breking wordt gedefinieerd als de verandering in de richting van een golf bij de overgang van het ene medium naar het andere of als gevolg van een geleidelijke verandering in het medium zelf.
Naast alle andere factoren die een rol spelen bij het ontwerp van lichtgeleiders (grootte, vorm, helderheid, afstand tot de LED, kijkhoek en het gebruikte materiaal, om er maar een paar te noemen), moeten ontwerpers dus ook rekening houden met de brekingsindex.
De brekingsindex wordt gebruikt om te bepalen hoe snel licht zich door een medium voortbeweegt.
Dit wordt berekend als n = c/v, waarbij c de lichtsnelheid is en v de snelheid van het licht in dat specifieke medium.
Dit getal geeft aan in hoeverre het licht wordt afgebogen of gebroken wanneer het het medium raakt. Het geeft ook aan hoeveel licht wordt gereflecteerd wanneer het het medium bereikt.
In een vacuüm heeft licht een brekingsindex van 1,0. Maar aangezien niemand lichtgeleiders ontwerpt voor gebruik in een dergelijk vacuüm, moet er extra aandacht worden besteed aan het optimaliseren van de prestaties.
Bovendien geeft elk getal groter dan 1,0 aan dat de snelheid waarmee het zich voortbeweegt lager is dan in een vacuüm.
Brekingsindexen:
Lucht, het tarief bedraagt 1,003
Water, het tarief bedraagt 1,33
Acryl, het materiaal waar de meeste lichtgeleiders van zijn gemaakt — die waarde is ~1,49.
De brekingsindex is niet het enige getal dat een rol speelt als het gaat om de manier waarop een oppervlak licht beïnvloedt.
Er is ook totale interne reflectie (TIR), dat is de hoek waaronder licht wordt gereflecteerd wanneer er geen licht doorheen schijnt naar een uitgang aan het oppervlak, maar in plaats daarvan van het ene oppervlak naar het andere wordt gereflecteerd, waar het zichtbaar is.
Bron: https://www.physicsclassroom.com/class/refrn/Lesson-3/Total-Internal-Reflection
TIR is een verschijnsel dat optreedt wanneer de invalshoek groter is dan een bepaalde grenshoek, de zogenaamde kritische hoek.
Waarom is TIR van belang bij het ontwerp van lichtgeleiders?
Vaak worden lichtgeleiders gebruikt om licht om hoeken heen te leiden. Om ervoor te zorgen dat het licht onder de kritische hoek wordt weerkaatst en zo efficiënt mogelijk naar het eindpunt wordt geleid, is het van essentieel belang om inzicht te hebben in de kritische hoek van verschillende materialen.
Voor helder polycarbonaat bedraagt de kritische hoek 39, en voor acryl is dat 42.
Als we begrijpen hoe het licht in verschillende scenario’s reageert, leidt dat tot betere, verder geoptimaliseerde prestaties van de lichtgeleider.
Als je bijvoorbeeld een haakse lichtgeleider gebruikt, zou TIR de specificaties als volgt beïnvloeden:
Bij het ontwerpen van lichtgeleiders gaan de meeste mensen ervan uit dat licht zich gedraagt als elektrische stroom en houden ze geen rekening met TIR.
Omdat licht unieke eigenschappen heeft, leidt het ontwerpen van een lichtgeleider zoals in de hierboven getoonde afbeelding met een rechte hoek tot aanzienlijk lichtverlies bij de TIR. Om lichtverlies te voorkomen, moet u rekening houden met de kritische hoek en een geometrie ontwerpen die het licht om de kritische hoek heen leidt zonder dat het licht ontsnapt. Dit concept geldt ook voor lichtgeleiders met afgeronde hoeken (of welke geometrie dan ook die in uw ontwerp voorkomt).
Er worden doorgaans twee soorten lichtgeleiders gebruikt: stijve en flexibele lichtgeleiders.
Een stijve lichtgeleider is ontworpen om licht over kortere afstanden te geleiden in omgevingen met matige tot sterke trillingen en in vochtige of stoffige omgevingen. Stijve lichtgeleiders zijn verkrijgbaar in talrijke uitvoeringen, waaronder verticale, haakse en meerlaagse varianten, en zijn ontworpen voor afstanden tot 3 inch. Een stijve lichtgeleider is vervaardigd uit polycarbonaat.
Stijve lichtgeleiders zijn verkrijgbaar in talrijke uitvoeringen, waaronder rechte, haakse, uit één stuk bestaande of uit meerdere delen bestaande, gestapelde of verticaal geplaatste uitvoeringen. Stijve lichtgeleiders met een robuuste schroefbevestiging met beschermingsgraad IP67 bieden maximale bescherming tegen het binnendringen van vloeistoffen en stof. Er zijn complete oplossingen verkrijgbaar die bestaan uit de lichtgeleider, de LED en een adapter voor opbouwmontage.
Over het algemeen zijn stijve lichtgeleiders een voordelige manier om licht van een LED naar het indicatiegebied op het voorpaneel te leiden wanneer er directe toegang is.
Een flexibele lichtgeleider heeft de voorkeur wanneer licht over langere afstanden of langs obstakels moet worden geleid tussen de LED en een frontpaneel of een andere plaats waar het beeld wordt weergegeven. Een flexibele lichtgeleider bestaat uit een adapter, die weinig tot geen lichtlekkage veroorzaakt, en een flexibele optische vezel met een lenskap. Flexibele lichtgeleiders zijn ongevoelig voor elektromagnetische interferentie (EMI) en geleiden of dragen geen pulsen van elektrostatische ontlading (ESD) over.
Flexibele lichtgeleiders zijn complexer en duurder dan starre lichtgeleiders; ze bieden ingenieurs een oplossing voor toegankelijkheidsproblemen doordat ze de flexibiliteit bieden om componenten op de printplaat (PCB) te omzeilen die een rechte toegang tot het indicatiegebied op het voorpaneel in de weg staan.
Figuur 5 toont de verschillende onderdelen van een flexibel lichtgeleiderontwerp. De onderdelen bestaan uit de LED op punt A; een SMD-22-adapter die ervoor zorgt dat er geen licht in een aangrenzende lichtgeleider lekt; een kunststof optische vezel (POF); en een lenskap op punt B die aan de POF is bevestigd.
Dankzij flexibele lichtgeleiders is het eenvoudig om extra indicatoren toe te voegen of een beschadigde module te vervangen, omdat de lenskap op punt B tot wel 330 feet verwijderd kan zijn van de LED-lichtbron op punt A. De lichtgeleider en de lens nemen veel minder ruimte in beslag aan de voorkant van het paneel dan de LED en de bijbehorende schakelingen. Als een ergonoom vaststelt dat er nog een indicator nodig is en ruimte een probleem vormt, kan een ingrijpend herontwerp worden vermeden door een extra indicator toe te voegen met een flexibele adapter die is aangesloten op een andere LED die zich op een geheel andere locatie kan bevinden dan de eerste LED. De combinatie van ontwerptijd en ontwerpruimte leidt tot een drastische verbetering op het gebied van kosten in diverse sectoren en toepassingen. Vijf verschillende kleuren POF-mantels vergemakkelijken de installatie en visuele identificatie in het veld door technici, en zorgen tevens voor duidelijkere verwijzingen in gebruikershandleidingen.
Met starre en flexibele lichtgeleiders hebt u twee verschillende opties. Beide hebben voor- en nadelen. Hier volgen enkele richtlijnen om u te helpen de juiste keuze te maken.
Stel je eens voor dat Stijve lichtgeleider als deze parameters van toepassing zijn op uw project:
- Licht hoeft slechts een korte afstand af te leggen
- Lage kosten zijn een topprioriteit
- De printplaat bevindt zich vlak bij het voorpaneel en is gemakkelijk toegankelijk
Overweeg het gebruik van een Flexibele lichtgeleider als:
- Het licht moet een lange afstand afleggen
- Het ontwerp van de apparatuur laat geen directe verbinding tussen de LED en de displaylens toe
- Het is mogelijk dat er later nog extra indicatoren moeten worden toegevoegd
- Het ontwerp op het gebied van menselijke factoren is nog niet definitief vastgesteld
- Het LED-licht moet door een omgeving met veel elektromagnetische interferentie (EMI) gaan voordat het de lensdop bereikt
De ontwerpingenieur moet goed letten op de afstemming tussen de lichtgeleider en de LED om lichtverlies tot een minimum te beperken en optimale prestaties te garanderen. De LED moet goed zijn afgestemd op de ingang van de lichtgeleider, zodat het licht goed wordt opgevangen met zo min mogelijk lichtverlies.
Uiteraard kan de positie van de lichtgeleider invloed hebben op de lichteigenschappen. Om lichtverlies tot een minimum te beperken, geldt als algemene regel dat u een LED met een smalle kijkhoek van 160 graden of minder moet gebruiken en dat de afstand tussen de lichtgeleider en de LED niet meer dan 0,05” mag bedragen. Er komt echter nog iets meer bij kijken om het beste product voor uw ontwerp te vinden. Daar komen lichtsimulaties om de hoek kijken. Neem contact op met ons team om een simulatie uit te voeren en de ideale lichtgeleider voor uw ontwerp te bepalen. En vergeet niet rekening te houden met de beperkingen die mogelijk gelden, afhankelijk van het type lichtgeleider dat u gebruikt: Strenge ontwerpbeperkingen voor lichtgeleiders Kan niet worden gebogen. Lengtebeperkingen: Perspassing: 1,20 inch. Op maat: 1,5 inch. Standaard: tot 2 inch; kortere versies zijn verkrijgbaar. Ontwerpbeperkingen voor flexibele lichtgeleiders Kan tot 30 graden buigen
Positie van de lichtgeleider
Lichtlekkage treedt op wanneer licht van de LED zichtbaar is rondom de LED en de lichtgeleider. Lichtlekkage leidt tot onjuiste meetwaarden, doffe en vermengde kleuren, overspraak tussen aangrenzende lichtgeleiders en ongewenste gloed in de behuizing. Wanneer een stijve lichtgeleider boven de LED is geplaatst, ontstaat er een zekere mate van lichtlekkage aan de onderkant van de lichtgeleider. Een flexibele lichtgeleider is ontworpen om minder lichtlekkage te veroorzaken dankzij een gecoate optische vezel en een lichtbestendige zwarte adapter.
De grootste flexibiliteit ontstaat wanneer de ontwerper kan kiezen tussen het ontwerpen met afzonderlijke componenten (LED en lichtgeleider) of het gebruik van een complete oplossing die beide elementen omvat.
Lichtgeleiders zijn ontworpen om licht zo efficiënt mogelijk van punt A naar punt B te leiden.
Punt A: Waar de ingang of lichtbron zich bevindt. In de meeste gevallen gaat het om een SMD-LED (Surface-Mount Device).
Punt B: Het uitgangsoppervlak, oftewel de plek waar de eindgebruiker het licht ziet op het bedieningspaneel of het indicatiescherm van het apparaat.
Lichtverlies, ook wel ‘lichtlekkage’ genoemd, treedt op wanneer een deel van het licht dat van punt A naar punt B reist, ontsnapt of ergens anders schijnt, waardoor er minder licht beschikbaar is om op het uitgangspunt te schijnen.
Lichtverlies
Meer licht
Om het lichtverlies tot een minimum te beperken, kunnen ontwerpers een LED met een smalle kijkhoek gebruiken in plaats van een LED met een brede kijkhoek, zodat de afstand tussen de lichtgeleider en de LED – waar licht zou kunnen ontsnappen – kleiner wordt. Hoe groter de opening tussen de lichtgeleider en de LED, hoe meer ruimte er is voor licht om te ontsnappen voordat het de lichtgeleider binnengaat en naar het uitgangspunt wordt geleid.
Opmerking: Er zal altijd een bepaalde hoeveelheid licht verloren gaan tijdens de reis van de plek waar de LED zich bevindt naar het punt waar de eindgebruiker het licht waarneemt.
Ongeacht welk type lichtgeleider wordt gekozen, zijn er diverse mogelijkheden om het ontwerp te optimaliseren.
Een SMD-LED (Surface Mount Device) wordt op het oppervlak van de printplaat gemonteerd en vereist geen gaten. Through-hole-LED’s worden gemonteerd door de aansluitdraden door de printplaat te steken en deze vast te solderen, waardoor een sterkere verbinding tussen de lagen ontstaat die ook bestand is tegen bepaalde omgevingsbelastingen. Een SMD-LED is doorgaans kleiner en helderder dan het equivalent met doorvoergaten. Zowel doorvoergat-LED's als SMD-LED's zijn verkrijgbaar in een breed scala aan afmetingen, kleuren, lichtsterktes en lagere vermogens.
LED-kleur. SMD-LED’s en doorvoermontage-LED’s zijn verkrijgbaar in een breed scala aan enkele kleuren. SMD-LED’s bieden extra opties, waaronder wit of enkele kleuren, tweekleurig en driekleurig, in een reeks kleurconfiguraties. Er zijn lichtgeleideradapters verkrijgbaar voor gebruik met beide soorten LED's. Bovendien kan de ontwerper kiezen voor een adapter met een ingebouwde LED of een adapter die bedoeld is voor gebruik met een afzonderlijke LED.
Afmetingen van de LED. LED’s voor oppervlaktemontage zijn gebaseerd op industriestandaardafmetingen, terwijl LED’s voor doorvoermontage worden aangeduid in millimeters (1,8 mm, 3 mm, 5 mm). Een 0402-behuizing (SM0402) is bijvoorbeeld gebaseerd op geschatte afmetingen (lengte × breedte) van ongeveer 0,4 mm lang bij 0,2 mm breed.
LED-intensiteit. De lichtopbrengst (lichtsterkte) van SMD-leds en through-hole-leds wordt doorgaans gemeten in millicandela (mcd) of lumen (lm). Hoe hoger de mcd- of lm-waarde, hoe sterker de lichtintensiteit.
De lens is aan het uiteinde van de lichtgeleider bevestigd of erin gegoten; deze fungeert als een handige visuele indicator en beschermt de lichtgeleider bovendien tegen mechanische beschadiging. Enkele lensparameters zijn:
Lensprofiel. Een Fresnel-lens is ontworpen om licht te bundelen en zorgt voor minder schaduwvorming en schittering, evenals een brede kijkhoek. Voor een nog grotere kijkhoek wordt ook een eenvoudig plat lensprofiel of een koepelvormige lens gebruikt.
Kleur van de lens. Afhankelijk van het model zijn er lenzen verkrijgbaar met een diffuse, getinte of gekleurde (blauw, zwart, groen, grijs, rood, geel) optiek.
Afmetingen en vorm van de lens. Er is een ruime keuze aan lensmaten beschikbaar, waaronder diameters van 2 mm, 3 mm, 4 mm en 5 mm. Er zijn ronde, ovale en rechthoekige vormen verkrijgbaar.
Toepassingen in tal van sectoren moeten functioneren in veeleisende omgevingen, waar het van cruciaal belang is dat de lensdop goed is afgedicht tegen de elementen met de juiste IP-klasse. De IP-classificatie van een lensdop geeft aan in hoeverre deze bescherming biedt tegen het binnendringen van vaste deeltjes, zoals stof, en vloeistoffen, zoals vocht of water. Een IP-classificatie wordt weergegeven in de vorm “IPXY”, waarbij X en Y getallen zijn.
Het eerste cijfer in een IP-classificatie geeft de mate van bescherming tegen het binnendringen van 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).
Een lichtgeleiderontwerp bestaat uit meer dan alleen de LED, de buis en de lens. Er zijn aanvullende onderdelen nodig om een compleet systeem te vormen, en voor elk onderdeel zijn er verschillende opties.
Er zijn verschillende bevestigingsmogelijkheden voor lichtgeleiders, afhankelijk van uw toepassing en productie-eisen.
Als flexibel en stijf de enige opties zouden zijn, zouden je keuzemogelijkheden wellicht beperkt zijn. Lichtgeleiders zijn zo ontworpen dat ze geschikt zijn voor een breed scala aan bevestigingswijzen.
Naast de afweging tussen een stijve en een flexibele lichtgeleider zijn er nog verschillende andere factoren waarmee u rekening moet houden bij het kiezen van een lichtgeleider voor uw ontwerp. Uw stroombron en de totale afmetingen van uw ontwerp kunnen bepalend zijn voor het type bevestiging dat u voor uw lichtgeleider moet gebruiken.
THR-22
THR-5-22
SMD-22
