Überlegungen zur Verwendung von Lichtleitern zur Verbesserung des HMI-Designs

Im Allgemeinen weisen HMIs drei Eigenschaften auf: leicht sichtbar, leicht verständlich und intuitiv.

Aus diesen Gründen werden häufig Leuchtanzeigen (Abbildung 1) verwendet, um Bedienern die Informationen zu liefern, die sie für eine sichere und effektive Nutzung der Ausrüstung benötigen. Eine zuverlässige und effiziente Möglichkeit, Licht auf diese Indikatoren zu übertragen, ist die Verwendung von Lichtleitern.

Während es verschiedene Möglichkeiten gibt, Leuchtanzeigen für HMIs zu konfigurieren, sind Lichtleiter (sowohl flexible als auch starre) bei Ingenieuren eine sehr beliebte Wahl. Ihre Verwendung bietet mehrere Vorteile, diese basieren jedoch auf einer sorgfältigen Berücksichtigung kritischer Faktoren wie der Lichtleitergeometrie, des verwendeten Materials, des Betrachtungswinkels, der Betriebsumgebung und anderer. Wenn solche Faktoren frühzeitig im Entwurf berücksichtigt werden, können sie den entscheidenden Unterschied in der Wirksamkeit einer Leuchtanzeige für ein HMI ausmachen.

Lichtleiter sind durchsichtige Kunststoffstäbe (entweder flexibel oder starr), die dazu dienen, Licht von einer LED (normalerweise auf einer Leiterplatte) effizient und mit minimalem Verlust an Lichtintensität an eine Benutzeroberfläche zu übertragen. Lichtleiter sind jedoch nur eine Möglichkeit, eine Anzeige für HMIs bereitzustellen.

Weitere Optionen sind:

LED-Anzeigen für die Panelmontage sind eine Einheit, die aus einer LED besteht, die in einem Gehäuse untergebracht ist, das direkt auf dem HMI-Panel montiert ist.

Typischerweise sind LED-Anzeigen für kleine, leichte Geräte gedacht, die typischerweise tragbar sind und sowohl beleuchtete Sieben-Segment-Anzeigen als auch kapazitive Touch-LED-Anzeigen umfassen.

Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei Leiterplattenanzeigen um LEDs, die direkt auf der Leiterplatte montiert sind und eine einfache Montage und gute Designflexibilität bieten.

Bevor wir näher auf Lichtleiter eingehen, ist es wichtig, zwischen Lichtleitern, Lichtleitern und Lichtdiffusoren zu unterscheiden.

Nachdem dies geklärt ist, werfen wir einen Blick auf die beiden Grundtypen von Lichtleitern: flexibel und starr.

Flexible Lichtleiter, wie sie in Abbildung 2 dargestellt sind, bestehen aus Polycarbonatfasern und können Licht um enge Räume und Ecken übertragen, und zwar mit minimalem Verlust an Lichtintensität.

Außerdem werden sie sicher an der LED-Lichtquelle befestigt und tragen das Licht über eine beträchtliche Distanz (allerdings führen längere Distanzen zu einem größeren Energieverlust). Darüber hinaus bieten flexible Lichtleiter den Konstrukteuren viel mehr Freiheit und eine gute Kontrolle über die Optik.

Starre Lichtleiter, wie sie in Abbildung 3 dargestellt sind, sind Polymerstäbe, die zur Lichtübertragung verwendet werden, wenn der Abstand von der LED-Lichtquelle der Leiterplatte zum Bedienfeld relativ kurz ist.

Neben der Lichtübertragung entlang einer geraden Linie gibt es auch kundenspezifische Geometrien, die eine Lichtübertragung in anderen Winkeln ermöglichen. Allerdings folgt das Licht diesen nichtlinearen starren Rohren nur bis zu einem bestimmten Punkt.

Zu den Vorteilen starrer Lichtleiter gehören geringere Kosten als ihre flexiblen Gegenstücke; Nachteile sind Einschränkungen hinsichtlich der Länge und geringere Designflexibilität.

Abhängig vom Design des Geräts, der gewählten LED, dem für den Lichtleiter verwendeten Material und seinem Design (das im nächsten Abschnitt besprochen wird) können Lichtleiter bei der Verwendung für HMI-Anzeigen mehrere Vorteile bieten, darunter:

Lichtleiter können für die unterschiedlichsten HMI-Anwendungen eingesetzt werden. Sie werden häufig als kritische Anzeigeleuchten an Maschinen eingesetzt, bei denen der Betrachtungswinkel und die Farbe für den korrekten Betrieb und die Sicherheit der Bediener von entscheidender Bedeutung sind. Zu den entscheidenden Designoptionen für HMI-Leuchtanzeigen gehören Faktoren wie die LED-Farbe, Farbschemata und Anzeigeeigenschaften, um nur einige zu nennen.

Lichtleiter sind kosteneffizient und bieten bei richtiger Auslegung eine zuverlässige und sehr effektive Möglichkeit, Licht an den Benutzer zu übertragen.

Lichtaustritt (oder Lichtverlust) tritt auf, wenn Licht an einer anderen Stelle als dem gewünschten Austrittspunkt austritt. Lichtaustritt kann zu verschiedenen Problemen führen, wie z. B. einem Leuchten an der Schnittstelle, wo es nicht sein sollte, übereinander leuchtenden oder vermischenden LED-Farben und (was bei HMIs wahrscheinlich am gefährlichsten ist) falschen Messwerten.

Eine Kombination aus der richtigen LED, einem gut gestalteten Lichtleiter und einem optimierten Abstand zwischen der LED und dem Anzeigepunkt kann die Möglichkeit von Lichtaustritt minimieren.

Sorgfältig konzipierte Lichtleiter können auch in schwierigen Umgebungen eine hochwirksame Signalisierung erzielen, wenn der effektivste LED-Typ mit Optionen zur Verhinderung von Lichtaustritt kombiniert wird und sorgfältig auf die Wahl des Lichtleiters und seines Materials geachtet wird. Dies wiederum führt zu erhöhter Sicherheit und verbesserten Reaktionszeiten des Bedieners, da dieser die Anzeige klar erkennen und ihre Bedeutung erkennen kann.

Schließlich kann mit bestimmten Optionen eine einfache Installation erreicht werden, beispielsweise mit einem diffusen Lichtleiter mit niedrigem Profil und Presspassung.

Wie ist ein effektiver Lichtleiter konzipiert, der die gerade besprochenen potenziellen Vorteile nutzen kann? Bei der Auswahl eines Lichtleiterdesigns sind mehrere wichtige Aspekte zu berücksichtigen. Je früher diese Faktoren berücksichtigt werden, desto effektiver wird das Design sein.

Was wie eine einfache Entscheidung erscheint, beispielsweise ob eine schmale LED gewählt wird, kann andere Faktoren auslösen, die die Designauswahl erheblich einschränken oder die Leistung des Lichtleiters erheblich beeinträchtigen können.

Die Art des Lichtleiters, seine Geometrie und das verwendete Material sind für die Gestaltung einer effektiven HMI-Leuchtanzeige äußerst wichtig.

Die Brechung ist ein wichtiger Faktor in der Lichtleitergeometrie, ebenso wie die Konzepte der Reflexion und die verfügbare Oberfläche, auf der das Licht auf seinem weiteren Weg durch den Lichtleiter reflektiert werden kann. In manchen Fällen muss die Außenfläche des Lichtleiters möglicherweise lackiert werden, um zu verhindern, dass Licht austritt.

Dies ist auch einer der Gründe, warum die Wahl des Lichtleitermaterials äußerst wichtig ist: Das Material beeinflusst, wie das Licht reflektiert und gebrochen wird.

Typische verwendete Materialien sind:

Beachten Sie, dass die Wahl des Materials auch von der Betriebsumgebung beeinflusst wird.

Ebenso wichtig ist das Farbschema, das im HMI verwendet wird. Unten zeigt Abbildung 4 ein Standardfarbschema für Industriegeräte. Ähnliche Schemata und Symbole gibt es für andere Arten von Geräten und Schnittstellen.

Aus Sicherheits- und Wirksamkeitsgründen müssen Fragen zum Betrachtungswinkel gestellt werden, beginnend damit, wo sich Bediener oder Benutzer normalerweise relativ zur Schnittstelle befinden. Sitzen sie zum Beispiel in der Nähe der Ausrüstung, halten sie in der Hand, stehen sie auf einem Gerüst oder liegen sie vielleicht auf dem Boden?

Die gewünschte Beleuchtungsintensität und die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung sind Faktoren für den effektiven Einsatz eines Lichtleiters in einem HMI, wie in dieser Fallstudie für ein medizinisches Gerät veranschaulicht. Und bedenken Sie, dass die Beleuchtung nicht nur vom verwendeten Lichtleiter abhängt, sondern auch vom Typ der für die Anzeigeleuchten gewählten LED und deren Helligkeit.

Es gibt verschiedene Kategorien von auf Leiterplatten montierten LEDs, die mit Lichtleitern verwendet werden können. SMD-LEDs (Surface Mount) sind, wie der Name schon sagt, einer der am häufigsten verwendeten LED-Typen für Lichtleiter und können sowohl mit flexiblen als auch mit starren Lichtleitern verwendet werden. Durchgangsloch-LEDs sind ältere Montagemöglichkeiten und erfordern für die Installation auf der Leiterplatte den Einsatz einer Wellenlötmaschine.

Es gibt auch rechtwinklige Optionen sowohl für SMD- als auch für Durchsteck-LEDs. Welche LED-Montageart die beste ist, liegt in den technischen Designanforderungen.

Auch die Art der Oberfläche des Lichtleiters hat großen Einfluss auf die Verwendbarkeit eines Lichtleiterdesigns. Zu den verfügbaren Oberflächen gehören:

Die Umgebung, in der die Lichtleiter verwendet werden, hat erheblichen Einfluss auf das Design und ist oft der entscheidende Faktor für die Art des zu verwendenden Materials.

Beispielsweise erfordern Umgebungen im Freien oder mit hoher Luftfeuchtigkeit einen robusteren Lichtleiter, etwa solche mit IP-Schutzart (Ingress Protection) oder NEMA-Bewertung (National Electrical Manufacturers Association), die den Anforderungen eines Designers entsprechen.

Auch die Umgebungstemperatur, einschließlich der Lager- und Betriebstemperatur, ist wichtig, da sie einen wichtigen Einfluss auf die Art des verwendeten Materials hat.

Wenn das HMI in einer Umgebung mit starken Vibrationen verwendet wird oder die Ausrüstung, auf der es sich befindet, Stoßbelastungen ausgesetzt ist, muss dies frühzeitig in der Entwurfsphase berücksichtigt werden. Solche Probleme der Betriebsumgebung können durch mechanische Lösungen, Lichtleiterzubehör oder zusätzliche Montagehardware gemildert werden.

Zu Beginn der Entwurfsphase ist es außerdem wichtig, den Abstand zwischen der Quell-LED und der Anzeigeanzeige festzulegen und festzustellen, ob es sich bei diesem Abstand um eine gerade Linie handelt (und wenn nicht, um welchen Winkel es sich handelt).

Beide Faktoren schränken den Typ des verwendeten Lichtleiters sowie andere Eigenschaften ein. Beachten Sie, dass eine hocheffiziente Lichtübertragung umso einfacher zu erreichen ist, je kürzer und gerader der Abstand von der LED zur Anzeigeposition auf dem HMI ist.

Andererseits kann es bei längeren Entfernungen erforderlich sein, LEDs mit höherer Intensität oder Lichtleiterzubehör zu verwenden, um gute Ergebnisse zu erzielen. Die beteiligten Winkel schränken auch die Art des Lichtleiters, seine Geometrie und die verwendeten Materialien stark ein.

Lichtleiter sind eine Lösung für HMI-Anzeigeleuchten und verbessern die Fähigkeit, deren Bedeutung zu erkennen, zu verstehen und schnell zu interpretieren. Es gibt eine riesige Auswahl an Standard-Lichtleiterprodukten, die den meisten Anforderungen gerecht werden, und diese Auswahl und Kombinationen können schnell überwältigend sein.

VCC ist eine Option, die eine Reihe von HMI-Lichtanzeigelösungen bietet. Aufgrund der oft komplizierten Natur des Lichtleiterdesigns bieten sie Unterstützung bei der Navigation durch die vielen Optionen und Eigenschaften, selbst in kurzer Zeit.

Zu den darin enthaltenen Lichtleiter-Designdienstleistungen gehören:

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