Технология световодов и области их применения

Световоды могут показаться простыми устройствами, но они играют важнейшую роль в проектировании электронного оборудования; их использование позволяет упростить компоновку печатной платы, облегчить работу инженера по эргономике и создать более компактную конструкцию.

В данной статье будут рассмотрены принцип действия световодов, лежащая в их основе технология, соответствующие физические законы, а также варианты и возможности, доступные разработчикам оборудования.

Что такое световод?

Световод — это твердый прозрачный пластиковый стержень или оптическое волокно, используемое для передачи света от светодиода, установленного на плате, в другое место, где его удобно наблюдать, например, на панели индикаторов электронного модуля.

Они обладают рядом преимуществ, в том числе чёткой индикацией работоспособности и упрощённой эргономикой. Непроводящий световой канал не требует пайки или обжимных соединений и исключает вероятность короткого замыкания из-за защемления проводов; пайка и обжимные соединения не требуются.

Световоды являются ключевыми компонентами во многих современных электронных устройствах. Использование световода — это экономически выгодное решение, позволяющее исключить многие этапы, которые в противном случае потребовались бы для передачи света из одного места в другое.

Как их использовать?

Световоды находят применение в различных отраслях промышленности.

В зависимости от технического оснащения и конструкции пользовательского интерфейса устройства для продукта может потребоваться более одного — и даже большое количество — индикаторов. Для конструкций, требующих использования нескольких индикаторов, световоды являются идеальным решением благодаря своей низкой стоимости, превосходной визуальной информативности и гибкости в дизайне.

Как они работают

Световод размещается в непосредственной близости от светодиодного источника света на одном конце печатной платы. Материалы оптического качества, из которых он изготовлен, помогают направлять лучи света к месту назначения, как правило, к пользовательскому интерфейсу устройства. Световоды пропускают примерно от 80 до 90 процентов света от светодиодного источника, в зависимости от конструкции и расстояния. Чем ближе световоды расположены к светодиодам, тем эффективнее они передают свет. Конечно, используемые световоды должны быть рассчитаны на такое же количество тепла, которое выделяется светодиодом или источником света, поэтому этот фактор также необходимо учитывать при проектировании, поскольку он может определять минимально допустимое расстояние между световодом и источником света.

Категории световодов

Обычно используются два типа световодов: жесткие и гибкие.

Что такое жесткий световод?

Что такое гибкий световод?

Гибкий световод предпочтителен в тех случаях, когда свет необходимо передать на большие расстояния или вокруг препятствий, расположенных между светодиодом и передней панелью или другим местом размещения дисплея. Узел гибкого световода состоит из адаптера, который обеспечивает минимальное или полное отсутствие утечки света, и гибкого оптического волокна с крышкой линзы. Гибкие световоды не подвержены электромагнитным помехам (EMI) и не проводят и не передают импульсы электростатического разряда (ESD).

Гибкие световоды имеют более сложную конструкцию и стоят дороже, чем жесткие; они позволяют инженерам решать проблемы, связанные с доступом, предоставляя им возможность обходить компоненты на печатной плате (PCB), которые препятствуют прямолинейному доступу к зоне индикации на передней панели.

На рисунке 5 показаны различные части конструкции гибкого световода. В состав конструкции входят светодиод в точке A; адаптер SMD-22, предотвращающий утечку света в соседний световод; пластиковое оптическое волокно (POF); а также крышка линзы в точке B, приклеенная к POF.

Гибкие световоды упрощают установку дополнительных индикаторов или замену поврежденного узла, поскольку крышка линзы в точке B может находиться на расстоянии до 330 футов от светодиодного источника света в точке A. Световод и линза занимают гораздо меньше места у лицевой поверхности панели, чем светодиод и его электронная схема. Если инженер по эргономике сочтёт необходимым установить ещё один индикатор, а пространство ограничено, можно избежать масштабной переработки конструкции, добавив ещё один индикатор с помощью гибкого адаптера, подключённого к другому светодиоду, который может находиться в совершенно ином месте, чем первый светодиод. Сочетание экономии времени на проектировании и экономии места в конструкции радикально снижает затраты в различных отраслях и сферах применения. Пять различных цветов оболочки световодного кабеля (POF) облегчают монтаж и визуальную идентификацию на месте работы техническими специалистами, а также делают ссылки в руководствах пользователя более понятными.

Сравнение жестких и гибких типов

Жесткие и гибкие световоды предлагают вам два различных варианта. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки. Вот несколько рекомендаций, которые помогут вам сделать правильный выбор.

Рекомендации по проектированию при использовании световодов

Инженер-конструктор должен уделять пристальное внимание согласованию световода и светодиода, чтобы свести к минимуму потери света и обеспечить наилучшие эксплуатационные характеристики. Светодиод должен быть оптимально согласован с входным отверстием световода, чтобы обеспечить надлежащий сбор света с минимальными потерями.

Конечно, расположение световода может влиять на свойства света. Чтобы свести потери света к минимуму, следует руководствоваться общим правилом: использовать светодиод с узким углом обзора (не более 160 градусов) и располагать световод и светодиод на расстоянии не более 0,05 дюйма друг от друга. Однако для получения оптимального решения для вашего проекта необходимо учесть и другие факторы. Именно здесь на помощь приходят световые симуляции. Свяжитесь с нашей командой, чтобы провести симуляцию и определить световод, идеально подходящий для вашего проекта. И не забывайте об ограничениях, которые могут возникнуть в зависимости от типа используемого световода: Ограничения, связанные с конструкцией жестких световодов Не поддается изгибу. Ограничения по длине: Прессовая посадка: 1,20 дюйма; на заказ: 1,5 дюйма; стандартная: до 2 дюймов (доступны более короткие варианты) Ограничения, связанные с конструкцией гибких световодов Изгибается на угол до 30 градусов

Важность уменьшения светового просачивания

Утечка света возникает, когда свет от светодиода становится видимым вокруг самого светодиода и в области световода. Утечка света приводит к появлению ложных показаний, приглушенным и смешанным цветам, перекрестным помехам между соседними световодами, а также к нежелательному свечению внутри корпуса. Если над светодиодом установлен жёсткий световод, это приводит к некоторому утечке света в нижней части светового канала. Гибкий световод разработан таким образом, чтобы минимизировать утечку света за счёт оптического волокна с покрытием и светонепроницаемого чёрного адаптера.

Максимальная гибкость достигается в том случае, когда проектировщик может выбрать между проектированием с использованием отдельных компонентов (светодиода и световода) и применением готового решения, включающего оба этих элемента.

Световоды предназначены для максимально эффективной передачи света из точки A в точку B.

Точка A: Место расположения входа или источника света. В большинстве случаев это светодиод для поверхностного монтажа (SMD).

Пункт B: Выходная поверхность, то есть место, где конечный пользователь видит свет на интерфейсе или панели индикаторов устройства.

Потеря света, или рассеивание света, происходит тогда, когда часть света, проходящего от точки A к точке B, уходит в сторону или падает в другое место, в результате чего в точке выхода остается меньше света.

Чтобы свести к минимуму потери света, конструкторы могут использовать светодиод с узким углом рассеивания вместо светодиода с широким углом рассеивания, что позволит уменьшить расстояние между световодом и светодиодом, через которое свет может уходить. Чем шире зазор между световодом и светодиодом, тем больше возможностей у света уйти, прежде чем он попадет в световод и пройдет к точке выхода.

Примечание: Всегда будет происходить некоторая потеря света на пути от места расположения светодиода до точки выхода, где конечный пользователь видит свет.

Основные технические характеристики и опции

Независимо от того, какой тип световода выбран, существует множество возможностей для оптимизации конструкции.

Ознакомьтесь с вариантами светодиодных ламп

Светодиод для поверхностного монтажа (SMD) устанавливается на поверхности печатной платы и не требует просверливания отверстий. Светодиоды для монтажа через отверстия устанавливаются путем вставки выводов сквозь печатную плату и пайки, что обеспечивает более прочное соединение между слоями, способное выдерживать определенные неблагоприятные условия окружающей среды. Светодиоды SMD, как правило, меньше по размеру и ярче, чем их аналоги для монтажа в отверстия. Как светодиоды для монтажа в отверстия, так и светодиоды SMD доступны в широком диапазоне размеров, цветов, светоотдачи и низкой мощности.

Цвет светодиода. Светодиоды SMD и с выводами для монтажа в отверстия доступны в широком ассортименте одноцветных моделей. Светодиоды SMD имеют дополнительные варианты, включая белые или одноцветные, двухцветные и трехцветные, в различных цветовых конфигурациях. Адаптеры для световодов доступны для использования с обоими типами светодиодов. Кроме того, разработчик может выбрать адаптер со встроенным светодиодом или адаптер, предназначенный для использования с отдельным светодиодом.

Размер светодиода. Светодиоды для поверхностного монтажа соответствуют стандартным промышленным размерам, а размеры светодиодов для монтажа в отверстия указываются в миллиметрах (1,8 мм, 3 мм, 5 мм). Например, корпус 0402 (SM0402) соответствует приблизительным размерам (длина × ширина) — примерно 0,4 мм в длину и 0,2 мм в ширину.

Яркость светодиода. Световой поток (интенсивность свечения) светодиодов SMD и светодиодов с выводами, впаянными в печатную плату, обычно измеряется в милликанделах (mcd) или люменах (lm). Чем выше значение mcd или lm, тем выше интенсивность свечения.

Всё о линзах

Линза устанавливается или вливается в конец световода; она служит удобным визуальным индикатором, а также защищает световод от механических повреждений. Некоторые параметры линзы:

Профиль объектива. Линза Френеля предназначена для фокусировки света и обеспечивает уменьшение образования теней и бликов, а также широкий угол обзора. Для увеличения угла обзора также используется простая плоская линза или купольная линза.

Цвет линз. В зависимости от модели доступны линзы с диффузным покрытием, тонированные и цветные (синие, черные, зеленые, серые, красные, желтые).

Размер и форма линзы. Доступны линзы различных размеров, в том числе диаметром 2 мм, 3 мм, 4 мм и 5 мм. Предлагаются линзы круглой, овальной и прямоугольной формы.

Уплотнительная прокладка и степень защиты по стандарту IP

Оборудование во многих отраслях промышленности должно работать в суровых условиях, где крайне важно, чтобы крышка объектива была надлежащим образом герметизирована от воздействия внешних факторов с помощью соответствующих Степень защиты по IP. Класс защиты IP крышки объектива указывает на степень защиты, которую она обеспечивает от проникновения твердых частиц, в том числе пыли, и жидкостей, в том числе влаги или воды. Класс защиты IP обозначается в формате “IPXY”, где X и Y — числовые значения.

Первая цифра в индексе защиты IP указывает на степень защиты от проникновения твердых предметов: от IP0x (защита отсутствует) до IP6x (полная защита от пыли). Вторая цифра обозначает степень защиты от жидкостей: от IPx0 (защита отсутствует) до IPx9 (защита от струй воды).

Компоненты, связанные со световодами

Конструкция световода состоит не только из светодиода, трубки и линзы. Для формирования полноценной системы требуются дополнительные компоненты, и для каждого из них существует несколько вариантов.

Тип крепления

Существуют различные варианты крепления световодов в зависимости от области применения и производственных требований.
Если бы гибкие и жесткие варианты были единственными, ваш выбор мог бы оказаться ограниченным. Световоды разработаны с учетом широкого спектра способов монтажа.
Помимо выбора между жестким и гибким вариантом, при подборе световода для вашей конструкции следует учитывать еще несколько факторов. Тип источника питания и общие габариты конструкции могут определять, какой тип крепления следует использовать для световода.