Tecnologia e Aplicações de Condutores de Luz
Os condutores de luz podem parecer simples, mas desempenham um papel fundamental no projeto de equipamentos eletrônicos; seu uso pode simplificar o layout da placa de circuito impresso, facilitar o trabalho do engenheiro de fatores humanos e permitir um projeto mais compacto.
Este artigo abordará a função dos condutores de luz, a tecnologia por trás deles, a física subjacente e as opções disponíveis para o projetista de equipamentos.
Um condutor de luz é uma haste de plástico transparente e sólida ou uma fibra óptica utilizada para transmitir luz de um LED montado em placa para outro local onde possa ser facilmente visualizada, como, por exemplo, um painel indicador de um módulo eletrônico.
Eles oferecem diversos benefícios, incluindo indicação clara do status e engenharia de fatores humanos mais simples. O caminho de luz não condutor não requer solda nem terminações crimpadas e elimina o risco de curtos-circuitos elétricos causados por fios comprimidos; não são necessárias solda nem terminações crimpadas.
Os condutores de luz são componentes essenciais em muitas aplicações eletrônicas modernas. A adição de um condutor de luz é uma solução econômica que ajuda a eliminar muitas das etapas que, de outra forma, seriam necessárias para transportar a luz de um lugar para outro.
Os condutores de luz têm aplicações em diversos setores.
Dependendo do equipamento e do design da interface do usuário de um dispositivo, um produto pode exigir mais de um — e até mesmo muitos — indicadores. Para projetos que exigem vários indicadores, os conduitores de luz são a solução ideal devido ao seu baixo custo, excelente comunicação visual e flexibilidade de design.
Saúde
Na área da saúde, as soluções de indicação e iluminação por LED possibilitam projetos essenciais de Interface Homem-Máquina (IHM) em uma ampla gama de aplicações de tecnologia médica.
As aplicações médicas dos condutores de luz incluem:
- Tecnologias para a vida conectada
- Dispositivos médicos descartáveis
- Dispositivos médicos inteligentes
- Interface médico homem-máquina
Automação e controle industrial
Os condutores de luz ajudam a garantir segurança, confiabilidade e conformidade em ambientes adversos, como os encontrados em operações industriais. As tecnologias integradas de indicação e iluminação aprimoram o monitoramento do chão de fábrica para proteger os ativos contra condições perigosas.
As aplicações industriais incluem
- Controles de maquinário industrial
- Fábricas digitais
- Indústria 4.0
- Edifícios inteligentes
Veículos elétricos, veículos autônomos e automotivo, transporte
Os condutores de luz atendem aos requisitos de indicação e iluminação por LED desse mercado em rápida expansão, que abrange veículos elétricos e sua infraestrutura de recarga, bem como o transporte não automotivo.
As aplicações no setor de transportes incluem:
- Veículos elétricos
- Veículos autônomos
- Transporte conectado
- Mobilidade híbrida e elétrica
Energia renovável
Os condutores de luz permitem um funcionamento confiável nas condições mais adversas. Água, temperaturas extremas e vibração exigem que o projeto dos produtos esteja em conformidade com as rigorosas normas regulatórias da ISO.
Os condutores de luz são utilizados em diversas áreas:
- Energia eólica
- Energia solar
- Operações em estufas
- Agricultura
Comunicações
Como parte da infraestrutura em expansão que impulsiona a conectividade global, os conduítes de luz conduzem a luz por sistemas complexos: desde servidores e computação de borda até centros de dados e a infraestrutura do sistema 5G.
Exemplos de aplicações na área de comunicações incluem:
- Centros de dados
- Computação em nuvem
- Armazenamento
- 5G/IoT
Um condutor de luz é posicionado bem próximo a uma fonte de luz LED em uma das extremidades de uma placa de circuito impresso (PCB). Seus materiais de grau óptico ajudam a conduzir os feixes de luz até o destino desejado, geralmente na interface do usuário de um dispositivo. Os tubos de luz transmitem aproximadamente 80 a 90 por cento da luz da fonte LED, dependendo do projeto e do espaçamento. Quanto mais próximos os tubos de luz estiverem do(s) LED(s), mais eficientemente eles poderão transferir a luz. É claro que o(s) tubo(s) de luz utilizado(s) precisará(ão) ser classificado(s) para suportar a mesma quantidade de calor produzida pelo LED ou pela fonte de luz; portanto, isso também deve ser uma consideração no projeto, capaz de determinar a distância mínima permitida entre o tubo de luz e a fonte de luz.
Índice de refração: o meio é importante
A luz nem sempre se comporta da mesma maneira, o que torna o projeto dos condutores de luz ainda mais complexo. Por quê?
Vamos voltar à aula de física e aprender sobre refração.
Refração é definida como a mudança de direção de uma onda ao passar de um meio para outro ou devido a uma mudança gradual no próprio meio.
Portanto, além de todas as outras variáveis que influenciam o projeto de tubos de luz (tamanho, forma, brilho, distância em relação ao LED, ângulo de visão e material utilizado, para citar algumas), os projetistas também devem levar em consideração o índice de refração.
O índice de refração é usado para determinar a velocidade com que a luz se propaga através de um meio.
Calculado como n = c/v, sendo c a velocidade da luz e v a velocidade da luz nesse meio específico.
Esse número representa o quanto a luz é desviada ou refratada ao atingir o meio. Ele também calcula a quantidade de luz que é refletida ao atingir o meio.
No vácuo, a luz se refrata com um índice de 1,0. No entanto, como ninguém projeta condutores de luz para uso nesse tipo de vácuo, é preciso levar em conta fatores adicionais para otimizar o desempenho.
Além disso, qualquer valor acima de 1,0 indica uma velocidade menor em relação à que a luz teria no vácuo.
Índices de refração:
Ar, a taxa é de 1,003
Água, a taxa é de 1,33
Acrílico, que é o material de que são feitos a maioria dos condutores de luz — é de aproximadamente 1,49.
O índice de refração não é o único valor que precisa ser levado em conta quando se trata de como uma superfície afeta a luz.
Há também reflexão interna total (TIR), que é o ângulo em que a luz é refletida quando nenhuma parte dela atravessa a superfície até a saída, sendo, em vez disso, refletida de uma superfície para outra, onde se torna visível.
Fonte: https://www.physicsclassroom.com/class/refrn/Lesson-3/Total-Internal-Reflection
A TIR é um fenômeno que ocorre quando o ângulo de incidência é maior do que um determinado ângulo limite, conhecido como ângulo crítico.
Por que o TIR é importante no projeto de tubos de luz?
Frequentemente, os condutores de luz são utilizados para conduzir a luz ao contornar cantos. Para ajudar a garantir que a luz seja refletida no ângulo crítico e chegue ao ponto final com a máxima eficácia, é essencial compreender o ângulo crítico de diversos materiais.
Para o policarbonato transparente, o ângulo crítico é de 39, e para o acrílico, é de 42.
Compreender como a luz se comporta em diferentes cenários levará a um desempenho melhor e mais otimizado do condutor de luz.
Por exemplo, ao usar um condutor de luz em ângulo reto, veja a seguir como a TIR afetaria as especificações:
Ao projetar condutores de luz, a maioria das pessoas parte do princípio de que a luz se comporta como a corrente elétrica e ignora a TIR.
Como a luz possui propriedades únicas, projetar um condutor de luz como o ilustrado acima, em ângulo reto, resultará em uma perda significativa de luz no TIR. Para evitar essa perda, incorpore o ângulo crítico para criar uma geometria que conduza a luz contornando esse ângulo, sem que ela escape. Esse conceito também se aplica a condutores de luz com cantos arredondados (ou qualquer geometria que seu projeto inclua).
Dois tipos de condutores de luz são comumente utilizados: os rígidos e os flexíveis.
Um condutor de luz rígido é projetado para transportar luz por distâncias curtas em condições de vibração moderada a alta e em ambientes úmidos ou empoeirados. Os condutores de luz rígidos estão disponíveis em diversas configurações, incluindo vertical, em ângulo reto e em vários níveis, e são projetados para distâncias de até 3 polegadas. Um condutor de luz rígido é fabricado em policarbonato.
Os conduitores de luz rígidos estão disponíveis em diversas configurações, incluindo retas, em ângulo reto, de unidade única ou múltipla, dispostas em pilha ou na vertical. Os conduitores de luz rígidos com um sistema de retenção rosqueado para serviços pesados, com classificação IP67, oferecem proteção máxima contra a entrada de líquidos e poeira. Estão disponíveis soluções completas que incluem o condutor de luz, o LED e um adaptador para montagem em superfície.
De modo geral, os conduitores de luz rígidos são uma forma econômica de conduzir a luz de um LED até a área de indicação no painel frontal quando há acesso direto.
Um condutor de luz flexível é a opção preferida quando é necessário conduzir a luz por distâncias maiores ou contornar obstáculos entre o LED e um painel frontal ou outro local de exibição. Um conjunto de tubo de luz flexível consiste em um adaptador, que proporciona pouco ou nenhum vazamento de luz, e uma fibra óptica flexível com uma tampa de lente. Os tubos de luz flexíveis são imunes à interferência eletromagnética (EMI) e não conduzem nem transferem pulsos de descarga eletrostática (ESD).
Os condutores de luz flexíveis são mais complexos e mais caros do que os rígidos; eles resolvem os desafios de acessibilidade para os engenheiros, oferecendo-lhes a flexibilidade de contornar componentes na placa de circuito impresso (PCB) que impedem o acesso em linha reta à área de indicação no painel frontal.
A Figura 5 mostra as diversas partes de um projeto de condutor de luz flexível. Os componentes consistem no LED no ponto A; um adaptador SMD-22 que garante que nenhuma luz vaze para um condutor adjacente; uma fibra óptica de plástico (POF); e uma tampa de lente no ponto B, que está colada à POF.
Os condutores de luz flexíveis facilitam a adição de indicadores adicionais ou a substituição de um conjunto danificado, pois a tampa da lente no ponto B pode ficar a até 330 pés da fonte de luz LED no ponto A. O condutor de luz e a lente ocupam muito menos espaço próximo à superfície do painel do que o LED e seus circuitos. Se um engenheiro de fatores humanos constatar que outro indicador é necessário e o espaço for um problema, é possível evitar uma grande reformulação do projeto adicionando outro indicador com um adaptador flexível conectado a outro LED, que pode estar em um local completamente diferente do primeiro LED. A combinação de tempo de projeto e espaço de projeto melhora radicalmente as questões de custo em diversos setores e aplicações. Cinco cores diferentes de revestimento do POF facilitam a instalação e a identificação visual em campo pelos técnicos, além de esclarecer as referências nos manuais do usuário.
Os condutores de luz rígidos e flexíveis oferecem duas opções distintas. Cada um deles tem vantagens e desvantagens. Aqui estão algumas orientações para ajudá-lo a fazer a escolha certa.
Considere um Condutor de luz rígido se esses parâmetros se aplicarem ao seu projeto:
- A luz precisa percorrer apenas uma curta distância
- O baixo custo é uma prioridade máxima
- A placa de circuito impresso está localizada próxima ao painel frontal, com fácil acesso
Considere utilizar um Condutor de luz flexível se:
- A luz precisa percorrer uma longa distância
- O projeto do equipamento não permite um caminho direto do LED até a lente do visor
- É possível que seja necessário adicionar indicadores adicionais posteriormente
- O projeto de fatores humanos ainda não está finalizado
- A luz emitida pelo LED precisa atravessar um ambiente com alto nível de EMI antes de chegar à tampa da lente
O engenheiro de projeto deve prestar muita atenção ao emparelhamento do condutor de luz com o LED para minimizar a perda de luz e garantir o melhor desempenho. O LED deve ser adequadamente ajustado à entrada do condutor de luz para permitir a captura adequada da luz com o mínimo de perda.
É claro que a posição do condutor de luz pode afetar as propriedades da luz. Para minimizar a perda de luz, uma regra geral é usar um LED com um ângulo de visão estreito, de 160 graus ou menos, e posicionar o condutor de luz e o LED a uma distância máxima de 0,05” um do outro. Mas há um pouco mais do que isso para obter o melhor produto para o seu projeto. É aí que entram as simulações de iluminação. Entre em contato com nossa equipe para realizar uma simulação e determinar o tubo de luz ideal para o seu projeto. E não se esqueça das restrições que você pode ter dependendo do tipo de tubo de luz utilizado: Restrições de projeto de tubos de luz rígidos Não pode ser dobrado. Limites de comprimento: Encaixe por pressão: 1,20” Personalizado: 1,5” Padrão: até 2”, com versões mais curtas disponíveis Restrições de projeto de condutores de luz flexíveis Inclina-se até 30 graus
Posição do condutor de luz
O vazamento de luz ocorre quando a luz do LED fica visível ao redor do LED e da área do condutor de luz. O vazamento de luz causa leituras incorretas, cores apagadas e misturadas, interferência entre condutores de luz adjacentes e brilho indesejado no gabinete. Quando um condutor de luz rígido está posicionado sobre o LED, ele permite uma certa quantidade de vazamento de luz na base do condutor. Um condutor de luz flexível é projetado para proporcionar menos vazamento de luz, graças a uma fibra óptica revestida e a um adaptador preto resistente à luz.
A flexibilidade máxima é alcançada quando o projetista pode escolher entre projetar com componentes individuais (LED e condutor de luz) ou utilizar uma solução completa que inclua ambos os elementos.
Os condutores de luz são projetados para conduzir a luz do ponto A ao ponto B da maneira mais eficaz possível.
Ponto A: Onde está localizada a entrada ou a fonte de luz. Na maioria dos casos, trata-se do LED de montagem em superfície (SMD).
Ponto B: A superfície de saída, ou seja, o local onde o usuário final vê a luz na interface ou no painel indicador do dispositivo.
A perda de luz, ou dispersão de luz, ocorre quando parte da luz que se desloca do Ponto A ao Ponto B se dissipa ou incide em outro lugar, de modo que há menos luz disponível para incidir no ponto de saída.
Perda de luz
Mais luz
Para minimizar a perda de luz, os projetistas podem utilizar um LED com ângulo de visão estreito, em vez de um com ângulo de visão amplo, a fim de reduzir a distância entre o condutor de luz e o LED, por onde a luz poderia escapar. Quanto maior for a distância entre o condutor de luz e o LED, maior será a chance de a luz escapar antes de entrar no condutor de luz e seguir até o ponto de saída.
Observação: Sempre haverá uma certa quantidade de luz que se perde ao viajar do local onde o LED está instalado até o ponto de saída, onde o usuário final vê a luz.
Independentemente do tipo de condutor de luz escolhido, há várias opções disponíveis para otimizar o projeto.
Um LED de montagem superficial (SMD) é fixado na superfície da placa de circuito impresso (PCB) e não requer furos. Os LEDs de montagem com furos são instalados inserindo-se os terminais através da placa e soldando-os para proporcionar uma conexão mais resistente entre as camadas, o que também permite suportar algumas condições de estresse ambiental. Um LED SMD tende a ser menor e mais brilhante do que seu equivalente de montagem por orifício. Tanto os LEDs de montagem por orifício quanto os SMD estão disponíveis em uma ampla variedade de tamanhos, cores, intensidades luminosas e potências mais baixas.
Cor do LED. Os LEDs SMD e de montagem por orifício estão disponíveis em uma ampla variedade de cores únicas. Os LEDs SMD oferecem opções adicionais, incluindo branco ou monocromático, bicolor e tricolor, em diversas configurações de cores. Adaptadores para tubos de luz estão disponíveis para uso com ambos os tipos de LEDs. Além disso, o projetista pode escolher um adaptador com um LED integrado ou um destinado ao uso com um LED separado.
Tamanho do LED. Os LEDs de montagem em superfície seguem os tamanhos padrão da indústria, enquanto os LEDs de montagem por furo são dimensionados em milímetros (1,8 mm, 3 mm, 5 mm). Por exemplo, um pacote 0402 (SM0402) tem dimensões aproximadas (comprimento × largura) de cerca de 0,4 mm de comprimento por 0,2 mm de largura.
Intensidade do LED. A saída de luz (intensidade luminosa) dos LEDs SMD e dos LEDs de montagem por orifício é normalmente medida em milicandelas (mcd) ou lúmens (lm). Quanto maior for o valor em mcd ou lm, mais intensa será a luz.
A lente é montada ou moldada na extremidade do condutor de luz; ela serve como um indicador visual prático e também protege o condutor de luz contra impactos mecânicos. Alguns parâmetros da lente são:
Perfil da lente. Uma lente de Fresnel é projetada para concentrar a luz e proporciona redução de sombras e ofuscamento, além de um amplo ângulo de visão. Também se utiliza um perfil simples de lente plana ou uma lente em forma de cúpula para aumentar o ângulo de visão.
Cor da lente. Estão disponíveis opções de lentes difusas, fumê e coloridas (azul, preto, verde, cinza, vermelho, amarelo), dependendo do modelo.
Tamanho e formato das lentes. Há uma variedade de tamanhos de lentes disponíveis, incluindo diâmetros de 2 mm, 3 mm, 4 mm e 5 mm. Estão disponíveis formatos redondos, ovais e retangulares.
Em muitos setores, os equipamentos devem operar em ambientes adversos, nos quais é fundamental que a tampa da lente esteja devidamente vedada contra as intempéries com o Classificação IP. A classificação IP de uma tampa de lente indica o nível de proteção que ela oferece contra a entrada de sólidos, incluindo poeira, e de líquidos, incluindo umidade ou água. A classificação IP é expressa na forma “IPXY”, em que X e Y são valores numéricos.
O primeiro dígito de uma classificação IP indica o nível de proteção contra a penetração de objetos sólidos: de IP0x (sem proteção) a IP6x (proteção total contra poeira). O segundo dígito refere-se à proteção contra líquidos: de IPx0 (sem proteção) a IPx9 (proteção contra jatos de água).
O projeto de um condutor de luz envolve mais do que apenas o LED, o tubo e a lente. São necessários componentes adicionais para formar um sistema completo, e há várias opções para cada um deles.
Existem várias opções de montagem para tubos de luz, dependendo da sua aplicação e dos requisitos de fabricação.
Se as únicas opções fossem flexíveis e rígidas, suas opções poderiam ser limitadas. Os condutores de luz são projetados para se adaptarem a uma ampla variedade de tipos de montagem.
Além da escolha entre rígido e flexível, há várias outras considerações a serem levadas em conta ao selecionar um condutor de luz para o seu projeto. Sua fonte de alimentação e as dimensões gerais do projeto podem determinar qual tipo de montagem você deve utilizar com o seu condutor de luz.
THR-22
THR-5-22
SMD-22
