Światłowód - tematy techniczne

Oświetlenie światłowodowe

Wstęp
Światłowód może być używany do przesyłania światła ze źródła do odległej lokalizacji w celu oświetlenia, a także komunikacji. W rzeczywistości włókna nie tylko przepuszczają światło, ale także świecą wzdłuż samego włókna, dzięki czemu przypominają świetlówkę neonową. Zastosowań oświetlenia światłowodowego jest wiele, zasadniczo opierających się na wykorzystaniu specjalnych właściwości światłowodu, a także jego unikalnych właściwości.
 

Dlaczego warto używać światłowodów do oświetlenia?
Stosowanie światłowodu do zdalnego oświetlenia ma wiele zalet, z których niektóre są ważniejsze w przypadku zastosowań specjalnych niż inne.
Oświetlenie bez ogrzewania: Ponieważ źródło światła jest oddalone, włókno przepuszcza światło, ale izoluje ciepło ze źródła światła od punktu oświetlenia, co jest ważnym czynnikiem przy oświetlaniu delikatnych obiektów, takich jak wystawy muzealne, które mogłyby zostać uszkodzone przez ciepło lub intensywne światło.
Bezpieczeństwo elektryczne: Oświetlenie podwodne, np. w basenach i fontannach, lub oświetlenie w niebezpiecznych atmosferach, można bezpiecznie wykonać za pomocą oświetlenia światłowodowego, ponieważ światłowód jest nieprzewodzący, a zasilanie źródła światła można umieścić w bezpiecznym miejscu. Nawet wiele lamp ma niskie napięcie.
Precyzyjne oświetlenie punktowe: Światłowód można łączyć z soczewkami, aby zapewnić dokładnie skupione światło w bardzo małych punktach, popularnych w przypadku eksponatów muzealnych i wystaw biżuterii, lub po prostu precyzyjnie oświetlić określony obszar.
Trwałość: Użycie światłowodu do oświetlenia zapewnia znacznie trwalsze oświetlenie. Światłowód, plastikowy lub szklany, jest zarówno mocny, jak i elastyczny, znacznie trwalszy niż delikatne żarówki.
Wygląd Neonu: Światłowód emitujący światło na całej swojej długości, ogólnie nazywany włóknem emitującym krawędzie, ma wygląd rur neonowych do dekoracyjnego oświetlenia i znaków. Włókno jest łatwiejsze w produkcji, a ponieważ jest wykonane z tworzywa sztucznego, jest mniej kruche. Ponieważ oświetlenie jest oddalone, można je umieścić na jednym lub obu końcach światłowodu, a źródła mogą być bezpieczniejsze, ponieważ są źródłami niskiego napięcia.
Zmieniaj kolor: Dzięki zastosowaniu kolorowych filtrów ze źródłami światła białego oświetlenie światłowodowe może mieć wiele różnych kolorów, a dzięki automatyzacji filtrów zmieniać kolory w dowolnej zaprogramowanej kolejności.
Prostsza instalacja: Oświetlenie światłowodowe nie wymaga instalowania kabli elektrycznych do lokalizatora światła, a następnie instalowania na miejscu nieporęcznych opraw oświetleniowych z jedną lub większą liczbą żarówek. Zamiast tego włókno jest instalowane w danym miejscu i mocowane na miejscu, być może za pomocą małego uchwytu soczewki skupiającej, co jest znacznie prostszym procesem. Często z jednego źródła światła można korzystać z kilku włókien, co jeszcze bardziej upraszcza instalację.
Łatwa konserwacja: Oświetlenie w trudno dostępnych miejscach, takich jak wysokie sufity lub małe przestrzenie, może utrudniać wymianę źródeł światła. W przypadku światłowodu źródło może znajdować się w łatwo dostępnym miejscu, a światłowód w dowolnym odległym miejscu. Zmiana źródła nie stanowi już problemu.


Jak działa oświetlenie światłowodowe
Oświetlenie światłowodowe wykorzystuje światłowód jako „rurę świetlną”, przesyłającą światło ze źródła przez światłowód do odległej lokalizacji. Światło może być emitowane z końca światłowodu, tworząc niewielki efekt punktowy (zwany także „jarzeniem końcowym”) lub emitowane z zewnętrznej strony światłowodu na całej jego długości, przypominając neon lub świetlówkę (zwaną także „jarzeniem bocznym”) ).
Źródło światła jest zwykle nazywane „iluminatorem światłowodowym” i składa się z jasnego źródła światła i często elementów optycznych skutecznie skupiających światło we włóknie. Źródła muszą być jasne, dlatego powszechnie stosuje się lampy halogenowe kwarcowe lub ksenonowo-metalohalogenkowe. W mniejszych włóknach można również zastosować diody LED, które bardzo skutecznie łączą światło w włókna, ale nie osiągają poziomu światła innych lamp.
Światłowody stosowane w oświetleniu są podobne do włókien stosowanych w komunikacji, ale są zoptymalizowane do przesyłania sygnałów świetlnych, a nie szybkich. Włókna składają się z rdzenia przepuszczającego światło i płaszcza optycznego, który zatrzymuje światło w rdzeniu światłowodu. W przeciwieństwie do włókien komunikacyjnych, które wykorzystują małe rdzenie w celu maksymalizacji przepustowości, włókna oświetleniowe wykorzystują duże rdzenie z cienkimi okładzinami, aby zmaksymalizować sprzężenie światła z oświetlacza do światłowodu. Włókna emitujące boczne mają szorstką powierzchnię styku pomiędzy rdzeniem a płaszczem, która rozprasza część światła z rdzenia na całej długości światłowodu, tworząc spójny wygląd oświetlenia podobny do świetlówek neonowych.
Włókna oświetleniowe mogą być wykonane ze szkła, podobnie jak światłowody komunikacyjne, lub z tworzywa sztucznego. Jeśli włókna są szklane, mają zwykle bardzo małą średnicę i wiele z nich jest splecionych razem w jednym kablu z płaszczem, aby zapewnić wystarczającą transmisję światła. Stosuje się również włókna plastikowe o większej średnicy, być może częściej, ponieważ są niedrogie i łatwiejsze w montażu, ale powodują większą utratę światła i nie wytrzymują tak wysokich temperatur, co czasami ogranicza dopływ światła ze źródła.


Rodzaje włókien

Włókno końcowe
Światłowód końcowy to zazwyczaj włókno wielomodowe o indeksie schodkowym, z dużym przezroczystym rdzeniem przepuszczającym światło i cienką przezroczystą powłoką, która zatrzymuje światło w rdzeniu w procesie optycznym zwanym „całkowitym odbiciem wewnętrznym”. Rdzeń jest duży w porównaniu do cienkiej okładziny, dzięki czemu skuteczniej sprzęga światło z oświetlacza. Okładzina nie przepuszcza światła, więc światło wprowadzane do okładziny nie będzie przepuszczane przez włókno.
Włókna końcowe są zazwyczaj wykonane z tworzywa sztucznego, ponieważ można je wytwarzać w większych rozmiarach niż szkło, są tańsze i łatwiejsze w montażu. Plastikowy światłowód (POF) produkowany jest w rozmiarach od 0.1 do 20 mm średnicy. Włókna szklane są zazwyczaj produkowane w znacznie mniejszych rozmiarach (cienkie włosie, około 50-150 mikronów lub 0,05 do 0,15 mm) i wiązane razem w celu uzyskania kabli o większej średnicy.
Wybór materiałów rdzenia i okładziny determinuje kąt promieni świetlnych przyjętych ze źródeł i przepuszczanych przez włókno (tzw. mody), zdefiniowany przez specyfikację zwaną aperturą numeryczną (NA). Światło będzie wychodzić ze światłowodu w kształcie stożka, który pokazuje rozmiar NA, przy czym większe NA ma szerszy stożek wyjściowy oświetlenia. Włókna o wyższej zawartości NA również skuteczniej łączą światło ze źródeł, ponieważ przechwytują światło pod większymi kątami emitowanymi przez źródło. Typowe włókna mają stożki akceptacyjne o wartości {{0}} stopni, co odpowiada wartości NA wynoszącej 0.3-0.6. Gdy do skupiania światła emitowanego przez światłowód używana jest optyka, należy znać NA światłowodu, aby wybrać odpowiednią optykę.
Włókna końcowe dobrze przepuszczają światło. Włókna szklane są bardziej wydajne w transmisji, ponieważ szkło jest bardziej przezroczyste niż tworzywo sztuczne, ale ze względu na nieefektywność upakowania włókien w wiązki, przestrzenie pomiędzy włóknami w wiązkach oznaczają, że większość światła iluminatora nie jest wprowadzana do rdzeni światłowodów. Jednakże włókna szklane mogą być bardziej tolerancyjne na ciepło generowane przez iluminator, umożliwiając większą intensywność iluminatora i dostarczając więcej światła z końca światłowodu.

Włókno emitujące krawędzie

Światłowód emitujący krawędzie jest zasadniczo podobny do światłowodu emitującego końcowo, z tym wyjątkiem, że granica rdzeń/płaszcz jest zaprojektowana tak, aby była nieco nieefektywna. Zamiast zatrzymywać całe światło w rdzeniu, granica jest nierówna i część światła jest rozpraszana w płaszczu, gdzie staje się widoczna. Dzięki starannemu projektowi włókno może mieć gładki blask, który wygląda podobnie do świetlówki neonowej. Mniejsze włókna emitujące krawędzie zostały wplecione w taśmy, które emitują światło w paśmie.
Ponieważ duża część światła jest tracona przez emisję krawędziową wzdłuż światłowodu, włókno emitujące krawędzie charakteryzuje się wysokim tłumieniem. Może to ograniczać długości światłowodów emitujących krawędzie, które można zastosować. Można temu zaradzić oświetlając światłowód z obu końców, stosując dwa oświetlacze lub zapętlając włókno z powrotem do tego samego oświetlacza, lub używając odblaskowych zaślepek końcowych, aby przesłać nadmiar światła z powrotem do światłowodu z drugiego końca.


Iluminatory, rodzaje źródeł

Oświetlacz zawiera źródło światła dla światłowodu oraz optykę i filtry zaprojektowane w celu wytworzenia pożądanej ilości i rodzaju oświetlenia. Chociaż ilość światła wprowadzanego do światłowodu jest głównym czynnikiem branym pod uwagę przy wyborze oświetlacza, wpływa na to wiele innych czynników, co skłoniło rynek do zaoferowania wielu typów źródeł.
Moc przekazywana do światłowodu lub włókien, ponieważ wiele źródeł może obsłużyć więcej niż jedno włókno, ogólnie określa rodzaj użytego źródła światła. W wielu oświetlaczach stosowane są kwarcowe lampy halogenowe. Źródła te, opracowane jako reflektory punktowe lub lampy do projektorów, są dostępne w wersjach niskonapięciowych i przemiennych, z szerokim zakresem mocy wyjściowych. Kwarcowe lampy halogenowe są zwykle zintegrowane z odbłyśnikami, które ułatwiają skupienie światła na włóknie. Wprowadzono nowe ksenonowe lampy metalohalogenkowe o dużej mocy wyjściowej, ale wymagające zasilania wysokim napięciem, które zapewniają większą wydajność.
W systemach o niższej mocy można było zastosować diody LED o wyższej wydajności, ale ograniczonej mocy. Nowe diody LED stają się jaśniejsze i jeszcze bardziej wydajne, dzięki czemu diody LED stanowią realne źródło światła dla większej liczby systemów.
Iluminatory to coś więcej niż tylko lampy i diody LED. Lampy mogą wymagać odbłyśników, jeśli nie są wbudowane w lampę, a także soczewek skupiających światło we włóknie. Źródła dużej mocy mogą być wyposażone w filtry podczerwieni (IR), aby zmniejszyć nagrzewanie się światłowodu, oraz filtry ultrafioletu (UV), aby zapobiec uszkodzeniu włókien podczas długotrwałej ekspozycji.
Potrzebne będą źródła zasilania lamp lub diod LED, w tym możliwość ściemniania, jeśli to konieczne. Ponieważ większość lamp generuje dużo ciepła, w wielu iluminatorach zaprojektowano wentylację wymuszoną wentylatorem.
Lampy można łatwo filtrować, aby zapewnić kolorowe światło w włóknie. Zastosowanie ruchomych filtrów, zwykle w kole napędzanym małym silnikiem elektrycznym, pozwala na zmianę barwy światła w wybranej kolejności.
Złożoność oświetlaczy uniemożliwia większości użytkowników tworzenie własnych, ale wielu producentów oferuje różne modele zoptymalizowane pod kątem różnych typów włókien i zastosowań. Współpraca z tymi producentami to najlepszy sposób na dobór odpowiedniego oświetlacza i kompatybilnych włókien.
Oświetlenie pasywne wykorzystujące światłowody odbywa się za pomocą montowanych na dachu kolektorów słonecznych, które dostarczają światło słoneczne za pośrednictwem światłowodu do pomieszczeń w budynku lub pod pokładami statków.

Oprawy z emiterem końcowym
Zwykle światło wychodzi ze światłowodu będącego emiterem końcowym w stożku światła określonym przez aperturę numeryczną światłowodu. W niektórych przypadkach będzie to wystarczające do oświetlenia. Czasami jednak pożądane jest skupienie światła na mniejszym punkcie, utworzenie ukształtowanego oświetlonego punktu lub rozproszenie światła tak, aby przypominało zwykłą żarówkę. Dostępne są oprawy końcowe z soczewkami, które w razie potrzeby skupiają światło, ale należy je wybrać pod kątem kompatybilności z używanym włóknem.
Dostępne są również oprawy dekoracyjne, które pozwalają stworzyć atrakcyjne oświetlenie, a nie tylko koniec światłowodu. Producenci oferują wiele różnych typów tych opraw, podobnie jak w przypadku zwykłych opraw oświetleniowych.

Poziomy oświetlenia
Ponieważ powodem zastosowania światłowodów jest oświetlenie obszaru lub obiektu, najważniejsze są poziomy oświetlenia. Dokonywanie bezpośrednich porównań pomiędzy różnymi światłowodami i oświetlaczami może być trudne ze względu na dużą liczbę dostępnych opcji. Nawet percepcja ludzkiego oka, bardzo wrażliwego na kolor, ma znaczenie.
Włókna końcowe są łatwiejsze do kalibracji, ponieważ moc wyjściową można łatwo zmierzyć w odpowiednich odległościach od końca światłowodu za pomocą światłomierzy skalibrowanych w stopach. Włókna emitujące krawędzie są trudniejsze do kalibracji, ponieważ emitują rozproszone wzory, a ich postrzegany kontrast zależy od oświetlenia otoczenia.
Przykładem może być przyjrzenie się czynnikom wpływającym na oświetlenie zapewniane przez różne opcje.

Połączona moc
Moc wprowadzana do światłowodu jest funkcją natężenia źródła światła, skuteczności skupiania światła na końcu światłowodu, zastosowanych filtrów (IR, UV i/lub koloru), współczynnika odbicia czoła światłowodu i krzyża -powierzchnia przekroju włókna. Większe włókna oczywiście oznaczają większą moc. Podwojenie średnicy światłowodu zwiększa pole przekroju poprzecznego czterokrotnie (2 do kwadratu), więc sprzęgana moc powinna być czterokrotnie większa. Podobnie większa gęstość upakowania wiązek włókien zwiększy połączoną moc. Ważna jest nawet czystość końcówek światłowodów, ponieważ kurz i brud pochłaniają znaczną ilość światła.

Tłumienie włókien
Straty we włóknie spowodowane rozpraszaniem i absorpcją zmniejszą moc wyjściową, a ponieważ tłumienie światłowodu zależy od długości fali, kolor emitowanego światła ulegnie zmianie. Dłuższe włókna oznaczają, że światło będzie lekko zaczerwienione.


Projektowanie światłowodowych systemów oświetleniowych
Wydaje się, że w oświetleniu światłowodowym brakuje standardów branżowych, dlatego każdy produkt i zastosowanie jest zastrzeżone.
Ponieważ istnieje tak duża różnorodność systemów oświetlenia światłowodowego, trudno jest uogólniać na temat projektowania systemów. Jednak każdy projekt projektowy zaczyna się od kilku wspólnych elementów: co ma być oświetlane, jaki rodzaj światła jest pożądany (natężenie, wzór oświetlenia, kolor, różnorodność itp.), gdzie będzie prezentowane światło i gdzie zostanie umieszczony iluminator . Jeśli projektant dopiero zaczyna przygodę z oświetleniem światłowodowym, zdecydowanie zaleca się konsultację z doświadczonym projektantem i wykonawcą. Będą mogli polecić projekty, komponenty oświetlenia światłowodowego oraz producentów. Powinni także umieć pomóc w zaprojektowaniu nie tylko systemu oświetlenia światłowodowego, ale także zasilania i sterownika systemu.
Jeśli nie jest dostępny doświadczony wykonawca, można skorzystać ze stron internetowych producentów i dystrybutorów, aby dowiedzieć się więcej o możliwych zastosowaniach, dostępnych komponentach i możliwościach ich wdrożenia. Można również zobaczyć opcje zakupu komponentów i samodzielnego ich montażu lub zakupu kompletnego systemu gotowego do montażu.

Montaż światłowodowych systemów oświetleniowych
Instalacja światłowodowych systemów oświetleniowych polega na zainstalowaniu kabli, oświetlaczy i opraw. Większość aplikacji jest niestandardowa, a wiele z nich będzie wymagało specjalistycznych praktyk związanych z używanymi komponentami. Współpraca z producentami, którzy nie tylko opracowali komponenty, ale także osprzęt i praktyki instalacyjne, jest najlepszym sposobem na zapewnienie prawidłowego wykonania instalacji. Jeśli aplikacja jest nowego typu, bardzo ważne jest przeprowadzenie eksperymentów w celu ustalenia, czy będzie działać poprawnie przed przystąpieniem do rzeczywistej pracy.
Podane powyżej rady dotyczące projektowania systemów oświetlenia światłowodowego mają zastosowanie również w tym przypadku, ponieważ nic nie zastąpi doświadczenia. Wydaje się, że każdy kompetentny elektryk przyzwyczajony do instalowania oświetlenia powinien umieć zainstalować system oświetlenia światłowodowego, zwłaszcza że ma doświadczenie w instalowaniu kabli, opraw oświetleniowych oraz zasilania i sterowników.
 

Od prawie 10 lat specjalizujemy się w branży kabli światłowodowych i dzięki długoterminowej współpracy zdobyliśmy wielu znanych klientów na całym świecie. Jeżeli są Państwo zainteresowani naszymi produktami proszę o kontakt.