Işık Kılavuzu Teknolojisi ve Uygulamaları
Işık kanalları basit görünebilir, ancak elektronik ekipman tasarımında hayati bir rol oynarlar; bunların kullanımı PCB düzenini basitleştirebilir, insan faktörleri mühendisinin işini kolaylaştırabilir ve daha kompakt bir tasarımın önünü açabilir.
Bu makalede, ışık borularının işlevi, bunların ardındaki teknoloji, temel fizik ilkeleri ve ekipman tasarımcılarının yararlanabileceği seçenekler ele alınacaktır.
İçindekiler
Işık borusu, kart üzerine monte edilmiş bir LED’den, elektronik modülün gösterge paneli gibi kolayca görülebileceği başka bir konuma ışığı iletmek için kullanılan, katı ve şeffaf bir plastik çubuk veya optik fiberdir.
Bu ürünler, temizlik durumunun gösterilmesi ve daha basit insan faktörleri mühendisliği gibi çeşitli avantajlar sunar. İletken olmayan ışık yolu, lehim veya kıvrımlı bağlantı uçlarına gerek kalmaz ve kabloların sıkışmasından kaynaklanan elektriksel kısa devre riskini ortadan kaldırır; lehim veya kıvrımlı bağlantı uçlarına ihtiyaç duyulmaz.
Işık boruları, birçok modern elektronik uygulamada hayati öneme sahip bileşenlerdir. Bir ışık borusu eklemek, ışığı bir yerden başka bir yere aktarmak için aksi takdirde gerekli olan birçok adımı ortadan kaldırmaya yardımcı olan uygun maliyetli bir çözümdür.
Işık boruları çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır.
Bir cihazın donanımına ve kullanıcı arayüzünün tasarımına bağlı olarak, bir ürün için birden fazla — hatta çok sayıda — gösterge gerekebilir. Birden fazla gösterge gerektiren tasarımlar için, ışık kanalları düşük maliyetleri, mükemmel görsel iletişim özellikleri ve tasarım esnekliği sayesinde ideal bir çözümdür.
Sağlık Hizmetleri
Sağlık sektöründe, LED gösterge ve aydınlatma çözümleri, çeşitli tıbbi teknoloji uygulamalarında hayati öneme sahip İnsan-Makine Arayüzü (HMI) tasarımlarının hayata geçirilmesini sağlar.
Işık borularının tıbbi kullanım alanları arasında şunlar yer alır:
- Bağlantılı yaşam teknolojileri
- Tıbbi tek kullanımlık cihazlar
- Tıbbi akıllı cihazlar
- Tıbbi insan-makine arayüzü
Endüstriyel otomasyon ve kontrol
Işık boruları, endüstriyel faaliyetlerde görülenler gibi zorlu ortamlarda güvenlik, güvenilirlik ve mevzuata uygunluğun sağlanmasına yardımcı olur. Entegre gösterge ve aydınlatma teknolojileri, üretim sahasının izlenmesini iyileştirerek varlıkları tehlikeli koşullardan korur.
Endüstriyel uygulamalar arasında şunlar yer almaktadır:
- Endüstriyel makine kontrol sistemleri
- Dijital fabrikalar
- Sanayi 4.0
- Akıllı binalar
Elektrikli araçlar, otonom sürüş ve otomotiv, ulaşım
Işık boruları, elektrikli araçlar ve bunların şarj altyapısının yanı sıra otomotiv dışı ulaşım sektörünü de kapsayan bu hızla büyüyen pazarın LED gösterge ve aydınlatma gereksinimlerini karşılamaktadır.
Ulaşım uygulamaları arasında şunlar yer almaktadır:
- Elektrikli araçlar
- Otonom araçlar
- Bağlantılı ulaşım
- Hibrit ve elektrikli ulaşım
Yenilenebilir enerji
Işık boruları, en zorlu koşullarda bile güvenilir çalışmayı sağlar. Su, aşırı sıcaklıklar ve titreşim, ürün tasarımlarının katı ISO düzenlemelerine uygun olmasını gerektirir.
Işık boruları birçok alanda kullanılmaktadır:
- Rüzgâr enerjisi
- Güneş enerjisi
- Sera işletmeciliği
- Tarım
İletişim
Dünya çapında bağlantıyı sağlayan ve giderek genişleyen altyapının bir parçası olarak, ışık boruları karmaşık sistemlerin her yerine ışığı iletir: sunuculardan ve uç bilgi işlemden veri merkezlerine ve 5G sistem altyapısına kadar.
İletişim alanındaki örnek uygulamalar şunlardır:
- Veri merkezleri
- Bulut bilişim
- Depolama
- 5G/IoT
Bir ışık borusu, bir PCB kartının bir ucunda bir LED ışık kaynağına çok yakın bir şekilde yerleştirilir. Optik sınıf malzemeleri, ışınların genellikle bir cihazın kullanıcı arayüzü gibi istenen hedefe ulaşmasına yardımcı olur. Işık boruları, tasarıma ve aralıklarına bağlı olarak LED kaynağından gelen ışığın yaklaşık yüzde 80 ila 90'ını iletir. Işık boruları LED'lere ne kadar yakınsa, ışığı o kadar verimli bir şekilde aktarabilirler. Elbette, kullanılan ışık borularının, LED veya ışık kaynağı tarafından üretilen ısı miktarına uygun olması gerekir; bu nedenle, ışık borusu ile ışık kaynağı arasındaki izin verilen minimum mesafeyi belirleyen bir tasarım faktörü olarak da dikkate alınmalıdır.
Kırılma İndeksi: Ortamın Önemi
Işık her zaman aynı şekilde davranmaz; bu da ışık borusu tasarımını çok daha karmaşık hale getirir. Neden?
Hadi fizik dersine geri dönelim ve kırılma olgusunu öğrenelim.
Kırılma bir ortamdan başka bir ortama geçerken ya da ortamın kendisinde meydana gelen kademeli bir değişiklik sonucu dalganın yönündeki değişiklik olarak tanımlanır.
Dolayısıyla, ışık borusu tasarımında dikkate alınması gereken diğer tüm değişkenlerin (boyut, şekil, parlaklık, LED’e olan mesafe, görüş açısı ve kullanılan malzeme gibi) yanı sıra, tasarımcılar Kırılma İndisini de göz önünde bulundurmalıdır.
Kırılma indisi, ışığın bir ortamda ne kadar hızlı yayıldığını belirlemek için kullanılır.
n = c/v formülüyle hesaplanır; burada c ışık hızı, v ise söz konusu ortamdaki ışık hızıdır.
Bu sayı, ışığın ortama çarptığında ne kadar sapma veya kırılma gösterdiğini ifade eder. Ayrıca, ışığın ortama ulaştığında ne kadarının yansıdığını da hesaplar.
Boşlukta ışığın kırılma indisi 1,0’dır. Ancak kimse bu tür bir boşlukta kullanılmak üzere ışık kanalları tasarlamadığından, performansı en üst düzeye çıkarmak için ek önlemler alınması gerekir.
Ayrıca, 1,0’dan büyük herhangi bir sayı, vakum ortamına kıyasla hareket hızının azaldığını gösterir.
Kırılma İndisleri:
Hava, oran 1,003’tür
Su, oran 1,33’tür
Akrilik, ki çoğu ışık borusunun yapıldığı malzeme budur — değeri ~1,49’dur.
Bir yüzeyin ışığı nasıl etkilediği söz konusu olduğunda, dikkate alınması gereken tek değer kırılma indisi değildir.
Ayrıca şunu da belirtmek gerekir ki tam iç yansıma (TIR), yani ışığın hiçbir kısmı yüzeyden dışarı sızmayıp, bunun yerine bir yüzeyden diğerine yansıtılarak görünür hale geldiği açıdır.
Kaynak: https://www.physicsclassroom.com/class/refrn/Lesson-3/Total-Internal-Reflection
TIR, geliş açısının kritik açı olarak adlandırılan belirli bir sınır açıdan daha büyük olduğu durumlarda ortaya çıkan bir olgudur.
Işık borusu tasarımında TIR neden önemlidir?
Işığı köşelerden geçirmek için genellikle ışık boruları kullanılır. Işığın kritik açıda yansıyarak son noktaya en verimli şekilde ulaşmasını sağlamak için, çeşitli malzemelerin kritik açısını bilmek büyük önem taşır.
Şeffaf polikarbonat için kritik açı 39, akrilik için ise 42'dir.
Işığın farklı senaryolarda nasıl tepki verdiğini anlamak, ışık borusunun daha iyi ve daha optimize edilmiş bir performans sergilemesini sağlayacaktır.
Örneğin, dik açılı bir ışık borusu kullanıldığında, TIR’ın teknik özellikleri şu şekilde etkiler:
Işık kanalları tasarlarken çoğu kişi, ışığın elektrik akımı gibi davrandığını varsayar ve TIR’yi göz ardı eder.
Işığın kendine özgü özellikleri olduğundan, yukarıda gösterilen dik açılı şemadaki gibi bir ışık borusu tasarımı, TIR noktasında önemli ölçüde ışık kaybına yol açacaktır. Işık kaybını önlemek için kritik açıyı dikkate alarak, ışığın kaçmasına izin vermeden kritik açının etrafından yönlendirilmesini sağlayacak bir geometri oluşturun. Bu kavram, yuvarlak köşeli ışık boruları (veya tasarımınızda yer alan herhangi bir geometri) için de geçerlidir.
Genellikle iki tür ışık borusu kullanılır: sert ve esnek borular.
Sert ışık borusu, orta ila yüksek titreşim koşullarında ve nemli veya tozlu ortamlarda ışığı daha kısa mesafelere iletmek üzere tasarlanmıştır. Sert ışık boruları, dikey, dik açılı ve çok katlı gibi birçok farklı konfigürasyonda mevcuttur ve 3 inç’e kadar olan mesafeler için tasarlanmıştır. Sert ışık borusu, polikarbonattan imal edilmiştir.
Sert ışık boruları, düz, dik açılı, tek ünitelik veya çok ünitelik, istiflenmiş ya da dikey düzenlemeler dahil olmak üzere çok sayıda konfigürasyonda mevcuttur. IP67 sınıfında, ağır hizmet tipi dişli sabitleme sistemine sahip sert ışık boruları, sıvı ve toz girişine karşı maksimum koruma sağlar. Işık borusu, LED ve yüzeye monte adaptörden oluşan eksiksiz çözümler mevcuttur.
Genel olarak, doğrudan erişim imkânı olduğunda, sert ışık kanalları, ışığı bir LED’den ön paneldeki gösterge alanına aktarmak için ekonomik bir yöntemdir.
Işığın, LED ile ön panel veya başka bir ekran konumu arasındaki uzun mesafelerde ya da engellerin etrafından yönlendirilmesi gerektiğinde esnek bir ışık borusu tercih edilir. Esnek bir ışık borusu düzeneği, ışık sızıntısını en aza indiren veya tamamen önleyen bir adaptör ile lens kapağına sahip esnek bir optik fiberden oluşur. Esnek ışık boruları elektromanyetik parazitlerden (EMI) etkilenmez ve elektrostatik deşarj (ESD) darbelerini iletmez veya aktarmaz.
Esnek ışık kanalları, sert ışık kanallarına kıyasla daha karmaşıktır ve maliyeti daha yüksektir; mühendislere, ön paneldeki gösterge alanına düz bir çizgi halinde erişimi engelleyen baskılı devre kartı (PCB) üzerindeki bileşenleri atlama esnekliği sağlayarak erişilebilirlik sorunlarını ortadan kaldırır.
Şekil 5, esnek bir ışık borusu tasarımının çeşitli parçalarını göstermektedir. Bileşenler, A noktasında bulunan LED’den; komşu boruya ışık sızmasını önleyen bir SMD-22 adaptöründen; bir plastik optik fiberden (POF); ve POF’a yapıştırılmış, B noktasında bulunan bir mercek kapağından oluşmaktadır.
Esnek ışık boruları, B noktasındaki lens kapağının A noktasındaki LED ışık kaynağından 330 feet’e kadar uzakta olabilmesi sayesinde, ek göstergeler eklemeyi veya hasarlı bir grubu değiştirmeyi kolaylaştırır. Işık borusu ve lens, panel yüzeyine yakın alanda LED ve devresine kıyasla çok daha az yer kaplar. Bir insan faktörleri mühendisi başka bir göstergenin gerekli olduğunu tespit ederse ve alan sorunu varsa, ilk LED'den tamamen farklı bir konumda bulunan başka bir LED'den yönlendirilen esnek bir adaptörle başka bir gösterge eklenerek büyük çaplı bir yeniden tasarımdan kaçınılabilir. Tasarım süresi ve tasarım alanının bir araya gelmesi, çeşitli endüstrilerde ve uygulamalarda maliyet sorunlarını önemli ölçüde azaltır. Beş farklı POF kılıf rengi, sahada teknisyenler tarafından yapılan kurulum ve görsel tanımlamayı kolaylaştırır; ayrıca kullanım kılavuzlarındaki referansları netleştirir.
Sert ve esnek ışık boruları size iki farklı seçenek sunar. Her birinin avantajları ve dezavantajları vardır. Doğru seçimi yapmanıza yardımcı olacak bazı öneriler aşağıda yer almaktadır.
Şunu düşünelim: Sert ışık borusu eğer bu parametreler projeniz için geçerliyse:
- Işığın sadece kısa bir mesafe kat etmesi yeterlidir
- Düşük maliyet en önemli önceliktir
- Baskılı devre kartı, ön panele yakın bir konumda yer almaktadır ve kolayca erişilebilir durumdadır
Şunu kullanmayı düşünün: Esnek ışık borusu eğer:
- Işık uzun bir mesafe katetmek zorundadır
- Ekipmanın tasarımı, LED’den ekran merceğine doğru bir yolun açılmasını engelliyor
- İleride ek göstergelerin eklenmesi gerekebileceği ihtimali bulunmaktadır
- İnsan faktörleri tasarımı henüz tamamlanmamıştır
- LED ışığı, lens kapağına ulaşmadan önce yüksek EMI içeren bir ortamdan geçmek zorundadır
Tasarım mühendisi, ışık kaybını en aza indirmek ve en iyi performansı sağlamak için ışık borusu ile LED’in birbirine uyumuna büyük özen göstermelidir. Işık kaybını en aza indirerek ışığın düzgün bir şekilde yakalanabilmesi için LED’in ışık borusunun giriş kısmına etkili bir şekilde uyarlanması gerekir.
Elbette, ışık borusunun konumu ışığın özelliklerini etkileyebilir. Işık kaybını en aza indirmek için genel kural, 160 derece veya daha dar bir görüş açısına sahip bir LED kullanmak ve ışık borusu ile LED’i birbirinden en fazla 0,05” uzaklıkta konumlandırmaktır. Tasarımınız için en iyi ürünü elde etmek için bunun biraz daha fazlası gerekir. İşte burada ışık simülasyonları devreye girer. Simülasyon yaptırmak ve tasarımınız için ideal ışık borusunu belirlemek üzere ekibimizle iletişime geçin. Ayrıca, kullandığınız ışık borusunun türüne bağlı olarak karşılaşabileceğiniz kısıtlamaları da unutmayın: Sert ışık borusu tasarım kısıtlamaları Bükülemez Uzunluk sınırları: Presli geçme: 1,20” Özel: 1,5” Standart: 2”’ye kadar; daha kısa versiyonlar da mevcuttur Esnek ışık borusu tasarım kısıtlamaları 30 dereceye kadar bükülür
Işık borusunun konumu
Işık sızıntısı, LED’den gelen ışığın LED ve ışık borusu çevresinde görülebilir hale gelmesiyle ortaya çıkar. Işık sızıntısı, hatalı okumalara, soluk ve karışık renklere, bitişik ışık boruları arasında çapraz etkileşime ve muhafaza içinde istenmeyen parlamaya neden olur. LED'in üzerine sert bir ışık borusu yerleştirildiğinde, ışık borusunun tabanında belirli miktarda ışık sızıntısı meydana gelir. Esnek bir ışık borusu ise, kaplamalı optik fiber ve ışığa dayanıklı siyah adaptör sayesinde daha az ışık sızıntısı sağlayacak şekilde tasarlanmıştır.
Tasarımcı, tek tek bileşenlerle (LED ve ışık borusu) tasarım yapmayı ya da her iki unsuru da içeren eksiksiz bir çözümü kullanmayı seçebildiğinde, en yüksek esneklik sağlanır.
Işık boruları, ışığı A noktasından B noktasına olabildiğince verimli bir şekilde iletmek üzere tasarlanmıştır.
A Noktası: Girişin veya ışık kaynağının bulunduğu yer. Çoğu durumda, bu yüzeye monte (SMD) LED’dir.
B Noktası: Çıkış yüzeyi, yani son kullanıcının cihazın arayüzünde veya gösterge panelinde ışığı gördüğü yer.
Işık kaybı ya da ışık sızıntısı, A noktasından B noktasına doğru ilerleyen ışığın bir kısmının kaçması veya başka bir yere yönelmesi sonucu, çıkış noktasında parlayacak ışık miktarının azalmasıyla ortaya çıkar.
Işık Kaybı
Daha Fazla Işık
Işık kaybını en aza indirmek için tasarımcılar, ışığın kaçabileceği ışık borusu ile LED arasındaki mesafeyi azaltmak amacıyla geniş görüş açılı bir LED yerine dar görüş açılı bir LED kullanabilirler. Işık borusu ile LED arasındaki boşluk ne kadar genişse, ışığın ışık borusuna girip çıkış noktasına ulaşmadan önce kaçabileceği alan o kadar fazla olur.
Not: LED’in bulunduğu yer ile son kullanıcının ışığı gördüğü çıkış noktası arasında, ışığın bir kısmı her zaman kaybolacaktır.
Hangi tür ışık borusu seçilirse seçilsin, tasarımı optimize etmek için birçok seçenek mevcuttur.
Yüzeye monte (SMD) LED, PCB’nin yüzeyine monte edilir ve delik gerektirmez. Delikli LED’ler, uçların PCB’den geçirilip lehimlenmesiyle monte edilir; bu sayede katmanlar arasında daha sağlam bir bağlantı sağlanır ve bu bağlantı, bazı çevresel stres koşullarına da dayanabilir. SMD LED'ler, delikli LED'lere kıyasla genellikle daha küçük ve daha parlaktır. Hem delikli hem de SMD LED'ler, çok çeşitli boyut, renk, parlaklık ve düşük güç değerlerinde mevcuttur.
LED rengi. SMD LED’ler ve delikli LED’ler, çok çeşitli tek renk seçenekleriyle sunulmaktadır. SMD LED’ler, beyaz veya tek renkli, iki renkli ve üç renkli olmak üzere çeşitli renk konfigürasyonlarında ek seçenekler sunmaktadır. Işık borusu adaptörleri, her iki LED türüyle de kullanılabilir. Ayrıca, tasarımcı dahili LED'li bir adaptör veya ayrı bir LED ile kullanılmak üzere tasarlanmış bir adaptör seçebilir.
LED boyutu. Yüzeye monte LED’ler endüstri standardı boyutlara dayanırken, delikli LED’lerin boyutları milimetre cinsindendir (1,8 mm, 3 mm, 5 mm). Örneğin, bir 0402 paketi (SM0402), yaklaşık 0,4 mm uzunluğunda ve 0,2 mm genişliğinde olan yaklaşık boyutlara (uzunluk × genişlik) dayanır.
LED parlaklığı. SMD LED’lerin ve delikli LED’lerin ışık çıkışı (parlaklık yoğunluğu) genellikle milikandela (mcd) veya lümen (lm) cinsinden ölçülür. Mcd veya lm değeri ne kadar yüksekse, ışık yoğunluğu da o kadar parlaktır.
Mercek, ışık borusunun ucuna takılır veya kalıplanır; kullanışlı bir görsel gösterge işlevi görür ve aynı zamanda ışık borusunu mekanik hasarlardan korur. Bazı mercek parametreleri şunlardır:
Lens profili. Fresnel mercek, ışığı odaklamak üzere tasarlanmıştır; gölgelenmeyi ve parlamayı azaltır ve geniş bir görüş açısı sağlar. Görüş açısını artırmak için basit bir düz mercek profili veya kubbe mercek de kullanılır.
Lens rengi. Modele bağlı olarak, dağınık, füme ve renkli (mavi, siyah, yeşil, gri, kırmızı, sarı) cam seçenekleri mevcuttur.
Lensin boyutu ve şekli. 2 mm, 3 mm, 4 mm ve 5 mm çaplı olmak üzere çeşitli lens boyutları mevcuttur. Yuvarlak, oval ve dikdörtgen şekillerde seçenekler bulunmaktadır.
Birçok sektördeki uygulamalar, zorlu ortamlarda çalışmak zorundadır; bu ortamlarda, lens kapağının hava koşullarına karşı uygun şekilde yalıtılması hayati önem taşır. IP sınıfı. Bir lens kapağının IP derecesi, toz gibi katı maddelerin ve nem veya su gibi sıvıların içeri girmesine karşı sağladığı koruma seviyesini gösterir. IP derecesi “IPXY” biçiminde ifade edilir; burada X ve Y sayısal değerlerdir.
IP sınıflandırmasındaki ilk rakam, katı cisimlere karşı giriş koruma seviyesini gösterir: IP0x’ten (koruma yok) IP6x’e (toza karşı tam koruma) kadar. İkinci rakam ise sıvılara karşı korumayı ifade eder: IPx0’dan (koruma yok) IPx9’a (su püskürmelerine karşı koruma) kadar.
Bir ışık borusu tasarımı, LED, boru ve mercekten ibaret değildir. Tam bir sistem oluşturmak için ek bileşenlere ihtiyaç vardır ve her biri için çeşitli seçenekler mevcuttur.
Uygulamanıza ve üretim gereksinimlerinize bağlı olarak ışık boruları için çeşitli montaj seçenekleri mevcuttur.
Esnek ve sert seçenekler tek seçenek olsaydı, seçenekleriniz sınırlı kalabilirdi. Işık kanalları, çok çeşitli montaj türlerine uyum sağlayacak şekilde tasarlanmıştır.
Sert mi esnek mi seçimi dışında, tasarımınız için bir ışık borusu seçerken dikkate almanız gereken başka birkaç husus da bulunmaktadır. Güç kaynağınız ve tasarımınızın genel kapladığı alan, ışık borunuzla hangi montaj türünü kullanmanız gerektiğini belirleyebilir.
THR-22
THR-5-22
SMD-22
