通過LED固態照明技術提高人機界面的質量

通過LED固態照明技術提高人機界面的質量

電子設計 發表於 2019-03-08 09:00:00

人機界面（HMI）是物理，電子或虛擬環境，人類操作員和機器之間發生交互。用戶界面上人與機器之間交互的目的是有效地操作和控制機器或系統，並監控來自機器的反饋，這有助於操作員做出操作決策。

示例用戶界面中的HMI包括計算機作業系統，手動工具，重型機械操作員控制和過程控制的交互方面。在創建用戶界面時適用的設計考慮涉及人體工程學和心理學等多種學科。

LED和相關的固態照明技術在人機界面和圖形用戶界面（GUI）中越來越多地使用，這兩者都是關鍵特性現代工業控制系統。各種可見光譜顏色的各個LED用作可變條件指示器，而它們的條帶和塊也可以作為背光板配置在面板顯示器中，通常與LCD覆蓋層配合使用。

最新的防爆範圍，基於LED的HMI提供了巨大的優勢，不僅在顯示方面，而且在能效，可靠性和延長的使用壽命方面（圖1）。這是由於使用了LED背光技術，這需要高達傳統冷陰極螢光燈（CCFL）顯示器所用能量的一半。

圖1：R Stahl的Screen-Tec T-Ex系列防爆HMI由於採用了LED背光技術，因此具有顯示質量和能效優勢。

通常情況下，基於LED的顯示器使用大約40-50 W，而類似的CCFL顯示器使用至少75 W.與頻繁閃爍和故障相比，LED背光顯示器的另一個優點是LED的壽命相對較長。 CCFL光源。此外，與CCFL背光相比，LED背光可以產生更大範圍的色彩。

對比度為1000：1，基於LED顯示屏的HMI非常明亮，使用戶可以輕鬆看到過程信息。此外，基於LED的背光顯示器不含任何汞，鎘或鉛，這意味著它們比傳統的CCFL顯示器更容易回收和處理。

圖2：來自Chicago Miniature Lighting的高亮度面板安裝LED系列樣品。

考慮到許多HMI系統位於惡劣環境，製造或加工行業，抗衝擊和振動，以及幾乎總是需要加熱，灰塵和液體進入。 Chicago Miniature Lighting最新系列的面板安裝LED指示燈，包括700多種元件和組合，涵蓋各種尺寸，顏色和電壓範圍，專為衝擊和振動可大大縮短傳統燈泡壽命的應用而設計（圖2） ）。這些持久耐用的設備 - 平均壽命通常為100,000小時（比白熾燈等效時間長30-50倍） - 功耗也相對較低。

採用最新的銦 - 氮化鎵和鋁 - 銦 - 鎵 - 磷化物模具技術，有多種顏色可供選擇，LED單元可提供啞光，緞面或黑色鉻邊框以及各種各樣的鏡片形狀和大小。為了應對惡劣的環境，所有部件的額定值均為IP40或IP67。 Chicago Miniature Lighting表示，這些面板安裝LED非常適用於工業控制面板或其他苛刻環境等應用。它們也非常適合運輸應用，如飛機駕駛艙照明，鐵路，卡車和公共汽車，船舶，石油鑽井和其他要求苛刻的應用。

圖3 ：工業光纖IF-E93是一款高輸出綠色LED，採用無連接器塑料光纖封裝。

除了能夠承受高溫和灰塵和液體等環境威脅外，工業網絡和HMI系統通常必須設計成避免產生靜電幹擾，這種幹擾可能會在某些氣體或粉塵條件下引起爆炸，或損害敏感的分析測量。這些考慮使光學而非電子通信具有吸引力。因此，除了用於讀數和顯示背光外，LED光源還用於HMI和SCADA（監控和數據採集）系統中的數據傳輸。

例如，工業光纖的IF-E93是一款高輸出，高速，綠色LED，採用無連接器型塑料光纖封裝（圖3）。綠色LED的輸出光譜由氮化鎵染料產生，其在530nm的波長處達到峰值，理想地映射到PMMA塑料芯光纖的最低衰減窗口，其可以是有效的工業通信介質，更靈活並且比玻璃纖維更容易製備。 IF-E93採用內部LED微透鏡，PBT塑料外殼可確保與標準1000μm芯塑料光纜的高效光耦合。

IF-E93的高輸出和快速過渡時間使它適用於低成本的數字數據鏈路。當耦合到PMMA塑料光纖時，衰減小於0.1 dB/m，而常用的650 nm LED的衰減小於0.16 dB/m。 IF-E93 LED使用標準的1 mm芯塑料光纖，數據速率為5 Mbit/s時，距離超過150 m。此類LED的典型應用是用於區域網（LAN），光學傳感器，機器人通信，數據機和螢光儀器中的通信。

該產品系列中的所有設備均設計用於工業通用1.0毫米或1000微米芯塑料光纖。典型的光纖電纜的結構是PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）芯，薄的氟化聚合物包層和稱為護套的附加層，導致總直徑為2.2mm。與市場上許多其他光纖LED和光電探測器相比，工業光纖表示其設備不需要在光纖端進行光纖連接或拋光。沒有連接意味著用戶和網絡建設者的成本降低，他們只需要使用鋒利的刀或剃刀刀片正好切割光纖以準備操作。

測試和測量

圖4：測試和測量中的HMI龕具有多種要求，包括儀器;生產，試驗和產量分析;檢查;和合規性測試。 （照片來源：Lumex）。

位於美國伊利諾斯州Palatine和臺灣Chu Dung的Lumex認為測試和測量（T＆amp; M）市場 - 通過HMI解釋工業加工的關鍵方面系統 - 應用程式的本質面臨著獨特的挑戰。由於包括基於LED的應用在內的光電子學的使用在T＆amp; M中迅速擴大，因此客戶經常尋找單一的供應商合作夥伴來減輕來自多個供應商的採購負擔（圖4）。

30多年來，Lumex一直是光電子行業的重要參與者，擁有廣泛的高效率，高性能LED和LCD系統，包括標準產品和定製設計。該公司的光學系列包括廣泛的光譜，包括紫外，可見和紅外波長。

通過與各種T＆amp; M公司合作，Lumex定期為這些市場推出新穎的光電和顯示技術。據報導，其LED和LCD解決方案系列使客戶能夠將其應用程式的性能和耐用性提升到更高水平。產品系列包括：大功率LED;表面貼裝和通孔LED;紅外設備; LED顯示屏，陣列和背光源。

值得注意的是Lumex產品系列近期增加了一個「極端溫度」產品系列，包括：-40°C至85°C單色LCD系列;高溫LED背光，工作溫度高達100°C;和電容式觸控螢幕TFT模塊。

Lumex是ITW Photonics集團的合作夥伴公司，該集團旨在匯集和發展專注於光子技術的各個公司的技術專長，並涵蓋全方位的光譜技術。波長該集團包括：Lumex（LED和LCD技術）;校準傳感器（紅外探測器和發射器）;和Opto Diode Corp（LED，矽光電二極體和電光組裝技術）。 ITW一起為工業控制，醫療和軍事領域提供光子解決方案。

LED對於顯示器發展至關重要

位於馬來西亞的Avago Technologies公司承認使用紅色，綠色和藍色用於背光液晶顯示器（LCD）面板的LED是在顯示器和電視中實現卓越色域的「必須」。該公司固態照明部門的作者Mok Thye Linn於2010年3月發表題為「用於LCD監視器和電視背光的超薄型RGB LED模塊」的白皮書中評論說，「使用RGB-LED背光的權衡包括效率和成本LED組件。「

需要一個新的封裝來妥善解決這個LED背光市場。因此，Avago Technologies開發了一種板上晶片（COB）封裝，它結合了緊湊和薄型封裝外形，良好的色彩混合和高效的熱管理。該封裝表明COB技術仍然是LED封裝設計人員的一個有吸引力的選擇，因為它具有成本效益和結合簡單電氣連接的能力。

每年生產數億個LCD面板。根據Avago的說法，2010年，不到1％的人使用RGB LED進行背光照明。已經提出許多RGB LED解決方案來解決這個市場，但是它們都不能滿足薄型，良好的顏色混合，簡單的熱管理，即插即用和成本效益的要求。冷陰極螢光燈（CCFL）仍然是LCD顯示器和電視的行業標準。分立式LED封裝因其更大的尺寸和色彩混合和熱管理所需的額外工作而無法經濟地替代CCFL解決方案。為了加速在LED系統中常用的LCD監視器中採用RGB LED背光，Avago Technologies開發了板上晶片封裝RGB LED光源，如圖5所示。

圖5：Avago的板上晶片封裝，旨在加速將RGB LED背光應用於液晶顯示器，常用於HMI系統。

工業遷移到全LED線

2011年5月在洛杉磯舉行的信息顯示學會第49屆年度顯示周展覽會上，夏普宣布推出新的和替換LED背光面板以滿足客戶需求並繼續從CCFL-LCD遷移產品採用全LED背光陣容。

夏普表示，「這些顯示器的特性規格非常適合滿足工業應用市場的苛刻要求。這些產品包括出色的可視性，抗機械衝擊和振動性能，極長的使用壽命和極端溫度下的性能 - 包括上電時達到全亮度，無論環境溫度如何。與基於CCFL的產品相比，LCD中的LED背光有助於降低功耗並降低電磁幹擾（EMI）。 LED也不含汞，進一步提高了LED背光LCD產品的環保性能。夏普表示，其目標是幫助客戶從CCFL產品轉向LED背光顯示器，並幫助設計人員更好地了解相關技術優勢和設計考慮因素。

結論

圍繞在人機界面中使用LED和相關技術的幾種趨勢正在出現。雖然與許多其他照明和照明領域一樣，主導技術仍然是白熾燈泡和傳統的冷陰極螢光燈，但LED和其他固態照明技術的興起似乎是不可逆轉的。

原因很明確：更大範圍的可控顏色和輸出功率，更好的電氣和熱效率，簡單集成到靈活的控制和監控系統，以及堅固的結構，可以應對惡劣的工業環境。

外部因素監管（無論是來自政府或工業標準機構）是否符合環境和能源標準以及LED相對較低的單位成本，人們可以預期，在不久的將來，LED技術將在HMI系統中發揮主導作用。

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