A Fibra Óptica - Tópicos Técnicos

Iluminação de fibra óptica

Introdução
A fibra óptica pode ser usada para transmitir luz de uma fonte para um local remoto para iluminação e também para comunicações. Na verdade, as fibras são feitas não apenas para transmitir luz, mas também para brilhar ao longo da própria fibra, de modo que ela se assemelha a um tubo de luz neon. As aplicações para iluminação por fibra óptica são muitas, geralmente baseadas na utilização dos atributos especiais da fibra, bem como em suas características únicas.
 

Por que usar fibra óptica para iluminação?
O uso de fibra para iluminação remota tem muitas vantagens, algumas das quais são mais importantes para tipos especiais de aplicações do que outras.
Iluminação sem calor: Como a fonte de luz é remota, a fibra transmite a luz, mas isola o calor da fonte de luz do ponto de iluminação, uma consideração importante para iluminar objetos delicados, como em exposições de museus, que podem ser danificados pelo calor ou pela luz intensa.
Segurança Elétrica: A iluminação subaquática, como a utilizada em piscinas e fontes, ou a iluminação em atmosferas perigosas, pode ser feita com segurança com iluminação de fibra óptica, uma vez que a fibra não é condutora e a energia para a fonte de luz pode ser colocada em um local seguro. Até mesmo muitas luzes são de baixa tensão.
Destaque preciso: A fibra óptica pode ser combinada com lentes para fornecer luz cuidadosamente focada em pontos extremamente pequenos, populares para exposições em museus e exibições de joias, ou simplesmente iluminar com precisão uma área específica.
Durabilidade: O uso de fibra óptica para iluminação torna a iluminação muito mais durável. A fibra óptica, seja de plástico ou vidro, é forte e flexível, muito mais durável do que lâmpadas frágeis.
A aparência do néon: A fibra que emite luz ao longo de seu comprimento, geralmente chamada de fibra emissora de borda, tem a aparência de tubos de néon para iluminação decorativa e sinalização. A fibra é mais fácil de fabricar e, por ser feita de plástico, é menos frágil. Como a iluminação é remota, ela pode ser colocada em uma ou em ambas as extremidades da fibra e as fontes podem ser mais seguras, pois são fontes de baixa tensão.
Varie a cor: Ao utilizar filtros coloridos com fontes de luz branca, a iluminação por fibra óptica pode ter diversas cores e, ao automatizar os filtros, variar as cores em qualquer sequência pré-programada.
Instalação mais simples: A iluminação de fibra óptica não requer a instalação de cabos elétricos no localizador de luz e a instalação de luminárias volumosas com uma ou mais lâmpadas no local. Em vez disso, uma fibra é instalada no local e fixada no lugar, talvez com uma pequena lente de foco, um processo muito mais simples. Muitas vezes, várias fibras podem utilizar uma única fonte de luz, simplificando ainda mais a instalação.
Manutenção fácil: A iluminação em áreas de difícil acesso, como tetos altos ou espaços pequenos, pode dificultar a troca de fontes de luz. Com a fibra, a fonte pode estar em um local de fácil acesso e a fibra em qualquer local remoto. Mudar a fonte não é mais um problema.


Como funciona a iluminação de fibra óptica
A iluminação de fibra óptica usa fibra óptica como um “tubo de luz”, transmitindo luz de uma fonte através da fibra para um local remoto. A luz pode ser emitida pela extremidade da fibra criando um pequeno efeito de holofote (também chamado de "brilho final") ou emitida pela parte externa da fibra ao longo de seu comprimento, parecendo um néon ou tubo fluorescente (também chamado de "brilho lateral" ).
A fonte de luz é geralmente chamada de "iluminador de fibra óptica" e consiste em uma fonte de luz brilhante e, muitas vezes, em algumas ópticas para focar eficientemente a luz na fibra. As fontes devem ser brilhantes, portanto, lâmpadas halógenas de quartzo ou iodetos metálicos de xenônio são comumente usadas. Fibras menores também podem usar LEDs que acoplam a luz às fibras de maneira muito eficiente, mas não atingem os níveis de luz das outras lâmpadas.
As fibras ópticas usadas para iluminação são semelhantes às fibras usadas em comunicações, mas otimizadas para transmitir luz e não sinais de alta velocidade. As fibras consistem em um núcleo que transmite a luz e um revestimento óptico que retém a luz no núcleo da fibra. Ao contrário das fibras de comunicação que utilizam núcleos pequenos para maximizar a largura de banda, as fibras de iluminação utilizam núcleos grandes com revestimentos finos para maximizar o acoplamento da luz do iluminador à fibra. As fibras emissoras laterais têm uma interface áspera entre o núcleo e o revestimento para espalhar parte da luz do núcleo ao longo do comprimento da fibra para criar uma aparência de iluminação consistente, semelhante aos tubos de luz neon.
As fibras de iluminação podem ser feitas de vidro, assim como as fibras de comunicação, ou de plástico. Se as fibras forem de vidro, elas geralmente têm diâmetro muito pequeno e muitas são agrupadas em um cabo encamisado para fornecer transmissão de luz suficiente. Fibras plásticas de maior diâmetro também são usadas, talvez mais comumente, porque são baratas e mais fáceis de instalar, mas têm maior perda de luz e não suportam temperaturas tão altas, às vezes limitando a entrada de luz de uma fonte.


Tipos de fibra

Fibra emissora final
A fibra emissora final é geralmente uma fibra multimodo de índice escalonado com um grande núcleo transparente que transmite a luz e um fino revestimento transparente que retém a luz no núcleo em um processo óptico denominado "reflexão interna total". O núcleo é grande em comparação com o revestimento fino, pois o torna mais eficiente no acoplamento da luz do iluminador. O revestimento não transmite luz, portanto qualquer luz acoplada ao revestimento não será transmitida pela fibra.
As fibras emissoras finais são geralmente feitas de plástico, pois podem ser feitas em tamanhos maiores que o vidro e são mais baratas e mais fáceis de instalar. A fibra óptica plástica (POF) é fabricada em tamanhos de 00,1 a 20 mm de diâmetro. As fibras de vidro são geralmente feitas em tamanhos muito menores (finos finos, cerca de 50-150 mícrons ou 0,05 a 0,15 mm) e agrupadas para formar cabos de maior diâmetro.
A escolha dos materiais do núcleo e do revestimento determina o ângulo dos raios de luz aceitos das fontes e transmitidos pela fibra (chamados modos), definido por uma especificação chamada abertura numérica (NA). A luz sairá da fibra em um cone que mostra o tamanho do NA, com NA maior tendo um cone de iluminação de saída mais amplo. Fibras de maior NA também acoplam a luz das fontes de forma mais eficiente, pois irão capturar a luz em ângulos mais elevados emitida pela fonte. Fibras típicas têm cones de aceitação de {{0}} graus, correspondendo a NAs de 0.3-0.6. Quando a óptica é usada para focar a luz emitida pela fibra, o NA da fibra deve ser conhecido para escolher a óptica apropriada.
As fibras emissoras finais transmitem bem a luz. As fibras de vidro são mais eficientes na transmissão porque o vidro é mais transparente que o plástico, mas devido às ineficiências do empacotamento das fibras em feixes, os espaços entre as fibras nos feixes significam que grande parte da luz do iluminador não é acoplada aos núcleos das fibras. Porém, as fibras de vidro podem ser mais tolerantes ao calor gerado pelo iluminador, permitindo maior intensidade do iluminador e fornecendo mais luz da extremidade da fibra.

Fibra emissora de borda

A fibra emissora de borda é basicamente semelhante à fibra emissora final, exceto que o limite núcleo/revestimento é projetado para ser ligeiramente ineficiente. Em vez de reter toda a luz no núcleo, o limite é irregular e alguma luz é espalhada no revestimento, onde se torna visível. Através de um design cuidadoso, a fibra pode ter um brilho suave que se parece muito com um tubo de luz neon. Fibras emissoras de borda menores foram tecidas em fitas que emitem luz em uma faixa.
Como grande parte da luz é perdida pela emissão de borda ao longo da fibra, a fibra emissora de borda tem alta atenuação. Isto pode limitar os comprimentos de fibra emissora de borda que podem ser usados. Isso pode ser aliviado iluminando a fibra de ambas as extremidades, usando dois iluminadores ou enrolando a fibra de volta no mesmo iluminador, ou usando tampas refletivas nas extremidades para enviar o excesso de luz de volta à fibra a partir da extremidade oposta.


Iluminadores, Tipos de Fontes

O iluminador contém a fonte de luz para a fibra, bem como óptica e filtros projetados para produzir a quantidade e o tipo de iluminação desejada. Embora a quantidade de luz acoplada à fibra seja a principal consideração na escolha de um iluminador, muitos outros fatores estão envolvidos, o que levou o mercado a oferecer muitos tipos de fontes.
A potência acoplada à fibra ou fibras, visto que muitas fontes acomodam mais de uma fibra, geralmente determinará o tipo de fonte de luz utilizada. Lâmpadas halógenas de quartzo são usadas em muitos iluminadores. Essas fontes, desenvolvidas como holofotes ou lâmpadas para projetores, vêm em versões de baixa tensão e CA, com ampla gama de potências. As lâmpadas halógenas de quartzo geralmente são integradas a refletores que simplificam o foco da luz em uma fibra. Foram introduzidas novas lâmpadas de iodetos metálicos de xenônio que possuem alta potência, mas requerem energia de alta tensão, oferecendo maior eficiência.
Sistemas de menor consumo de energia têm sido capazes de usar LEDs que apresentam maior eficiência, mas potência limitada. Os novos LEDs estão se tornando mais brilhantes e ainda mais eficientes, tornando os LEDs uma fonte viável para mais sistemas.
Os iluminadores incluem mais do que apenas lâmpadas ou LEDs. As lâmpadas podem precisar de refletores se não estiverem embutidos na lâmpada, bem como lentes para focar a luz na fibra. Fontes de alta potência podem ter filtros infravermelhos (IR) para reduzir o aquecimento da fibra e filtros ultravioleta (UV) para evitar danos às fibras durante a exposição prolongada.
Serão necessárias fontes de energia para as lâmpadas ou LEDs, incluindo capacidade de dimerização, se desejado. Como a maioria das lâmpadas gera muito calor, a ventilação forçada por ventilador será projetada em muitos iluminadores.
As lâmpadas são facilmente filtradas para fornecer luz colorida na fibra. O uso de filtros móveis, geralmente em uma roda movida por um pequeno motor elétrico, permite que a cor da luz seja alterada em uma sequência escolhida.
A complexidade dos iluminadores impede que a maioria dos usuários faça os seus próprios, mas vários fabricantes oferecem vários modelos otimizados para vários tipos de fibras e aplicações. Trabalhar com esses fabricantes é a melhor forma de escolher um iluminador adequado e fibras compatíveis.
A iluminação passiva usando fibra óptica está sendo feita por meio de coletores solares montados no telhado que fornecem luz solar através da fibra para salas de um edifício ou abaixo do convés de navios.

Dispositivos de Emissor Final
Normalmente, a luz sai de uma fibra emissora final em um cone de luz definido pela abertura numérica da fibra. Em alguns casos, isso será adequado para iluminação. No entanto, por vezes é desejável focar a luz num ponto mais pequeno, criar um ponto iluminado com forma ou difundir a luz para se assemelhar a uma lâmpada normal. Estão disponíveis luminárias finais com lentes que podem focar a luz conforme necessário, mas precisam ser escolhidas para compatibilidade com a fibra usada.
Luminárias decorativas também estão disponíveis para criar uma luminária atraente para a luz, não apenas para a extremidade de uma fibra. Os fabricantes oferecem muitos tipos diferentes dessas luminárias, assim como as luminárias normais.

Níveis de iluminação
Como a iluminação de uma área ou objeto é a razão para o uso da fibra óptica, os níveis de iluminação são mais importantes. Fazer comparações diretas entre diversas fibras e iluminadores pode ser difícil devido às inúmeras opções disponíveis. Até a percepção do olho humano, altamente sensível às cores, é um fator.
As fibras emissoras finais são mais fáceis de calibrar, pois a potência de saída pode ser facilmente medida nas distâncias apropriadas da extremidade da fibra por medidores de luz calibrados em velas de pé. As fibras emissoras de borda são mais difíceis de calibrar, pois emitem em padrões difusos e seu contraste percebido depende da iluminação ambiente.
É ilustrativo observar os fatores envolvidos na iluminação fornecida pelas diversas opções.

Potência Acoplada
A potência acoplada à fibra óptica é função da intensidade da fonte de luz, da eficiência do foco na extremidade da fibra, dos filtros incluídos (IR, UV e/ou colorido), da refletância da face final da fibra e da cruz -área seccional da fibra. Fibras maiores, obviamente, acoplam mais potência. Dobrar o diâmetro da fibra aumenta a área da seção transversal em quatro vezes (2 ao quadrado), portanto a potência acoplada deve ser quatro vezes maior. Da mesma forma, uma maior densidade de empacotamento em feixes de fibras aumentará a potência acoplada. Até a limpeza das extremidades das fibras é importante, pois a poeira e a sujeira absorvem luz considerável.

Atenuação de fibra
Perdas na fibra devido ao espalhamento e absorção reduzirão a potência de saída e, como a atenuação da fibra depende do comprimento de onda, a cor da luz emitida mudará. Fibras mais longas significam que a luz ficará ligeiramente avermelhada.


Projetando Sistemas de Iluminação de Fibra Óptica
A iluminação de fibra óptica parece não estar de acordo com os padrões da indústria, portanto cada produto e aplicação é proprietário.
Como há tanta variedade em sistemas de iluminação por fibra óptica, é difícil generalizar sobre o projeto de sistemas. Porém, todo projeto de design começará com alguns itens comuns: o que está sendo iluminado, que tipo de luz se deseja (intensidade, padrão de iluminação, cor, variedade, etc.), onde a luz será apresentada e onde o iluminador será colocado . Se o projetista for novo na iluminação de fibra óptica, é altamente recomendável consultar um projetista e empreiteiro experiente. Eles poderão recomendar projetos, componentes de iluminação de fibra óptica e fabricantes. Eles também deverão ser capazes de ajudar a projetar não apenas o sistema de iluminação de fibra óptica, mas também a energia e o controlador do sistema.
Se um empreiteiro experiente não estiver disponível, pode-se usar os sites dos fabricantes e distribuidores para ajudar a aprender mais sobre quais aplicações são possíveis, quais componentes estão disponíveis e quais são os requisitos para implementá-los. Também é possível ver as opções de compra de componentes e montagem você mesmo ou compra de um sistema completo pronto para instalar.

Instalação de Sistemas de Iluminação de Fibra Óptica
A instalação de sistemas de iluminação por fibra óptica envolve a instalação de cabos, iluminadores e luminárias. A maioria dos aplicativos é personalizada e muitos exigirão práticas especializadas relacionadas aos componentes usados. Trabalhar com fabricantes que desenvolveram não apenas os componentes, mas também os acessórios e práticas de instalação é a melhor maneira de garantir que a instalação seja feita corretamente. Se o aplicativo for de um tipo novo, é muito importante experimentar para determinar se ele funcionará corretamente antes de se comprometer com o trabalho real.
O conselho dado acima sobre o projeto de sistemas de iluminação de fibra óptica também se aplica aqui, pois não há substituto para a experiência. Parece que qualquer eletricista competente acostumado a instalar iluminação deve ser capaz de instalar um sistema de iluminação de fibra óptica, especialmente porque tem experiência na instalação de cabos, luminárias, energia elétrica e controladores.
 

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