設(shè)計(jì)人員必看！UVC LED的一些設(shè)計(jì)問題及解決方案

文章來源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2017-09-28

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隨著UVC LED（深紫外LED）性能的提高，這種相對(duì)較新的技術(shù)在生命科學(xué)和環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器方面使用率正在迅猛發(fā)展。與所有新興技術(shù)一樣，設(shè)計(jì)師必須意識(shí)到與現(xiàn)有解決方案之間存在一些根本性的差異，而不是認(rèn)為是簡單替換器件。這可以讓設(shè)計(jì)人員充分發(fā)揮UVC LED的全部優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過仔細(xì)的思考，UVC LED可以減少占用空間和功耗， led亮化工程，從而提高最終用戶的擁有成本。

深紫外LED在儀器中的應(yīng)用

UVC LED在光譜應(yīng)用的興趣在不斷增加，因?yàn)樗鼈兛梢越鉀Q小型化、降低成本和實(shí)時(shí)測(cè)量方面的市場(chǎng)趨勢(shì)。與氘燈或氙氣閃光燈不同，LED發(fā)出窄光譜，其中來自設(shè)備的所有光輸出可用于測(cè)量。用戶可以根據(jù)應(yīng)用要求選擇感興趣的特定峰值波長。在具體應(yīng)用中，道路照明，已經(jīng)開發(fā)了254nm汞燈發(fā)射線的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法。例如，根據(jù)EPA標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的水和空氣質(zhì)量要求LED接近254nm峰值波長。表1列舉了可以用光譜鑒定的生命科學(xué)研究、藥物生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)中的一些重要的有機(jī)化合物。

表1. 常見有機(jī)化合物的峰值吸收波長

儀器光源選擇的另一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)是峰值波長的光輸出。因?yàn)長ED只有單個(gè)峰值，所以與其他UV燈不同，光輸出集中在特定的波長。吸收光譜應(yīng)用通常需要低水平的光輸出 - 1mW或更小。但是，恒光，在流動(dòng)池與光源隔離的情況下，由于在信號(hào)到達(dá)流動(dòng)池之前存在顯著的光衰減，因此需要較高的輸出。這可以將LED所需的光輸出提高到1mW以上。在熒光光譜中，技術(shù)資訊，信號(hào)強(qiáng)度與光強(qiáng)成正比。激發(fā)功率取決于需要檢測(cè)的示蹤劑的濃度水平，因此在這些應(yīng)用中，單個(gè)LED所需的光輸出可大于2 mW。圖1比較了儀器中常見的紫外線光源之間的輻照度。雖然LED的輸入功率要少得多， led室內(nèi)照明，商業(yè)照明燈具，但所需UVC波長的輻照度要高于其他光源，因此對(duì)于特定測(cè)量來說，它成為了更有效的光源。

圖1. 該圖比較了UVC LED、氙氣閃光燈和氘燈的輻照度。

在選擇波長和光輸出后，另一個(gè)重要參數(shù)是觀察角度，因?yàn)樗�影響儀器光學(xué)系統(tǒng)。 廣泛而言，有兩個(gè)選擇 - 窄角或?qū)捊�。前者是用球透鏡實(shí)現(xiàn)，后者有平面窗。窄角允許在較小的區(qū)域獲得高強(qiáng)度的光。當(dāng)將光直接聚焦到儀器中時(shí)，通常使用這種封裝類型。

平面窗包裝具有更寬的輻射，當(dāng)與光纖對(duì)準(zhǔn)用于遠(yuǎn)程耦合時(shí)，允許有更大的公差。在流動(dòng)池必須與光源和電子設(shè)備隔離的應(yīng)用中，比如監(jiān)測(cè)高溫化學(xué)過程或使用高揮發(fā)性溶劑進(jìn)行色譜分離時(shí)，特別適用。實(shí)際上，窄角球透鏡可將儀器中的組件保持最小，而平面窗則可提高設(shè)計(jì)靈活性。

優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電流需要設(shè)計(jì)者平衡光輸出與應(yīng)用的壽命要求。以低于制造商額定的電流驅(qū)動(dòng)LED會(huì)降低光輸出，但也會(huì)增加光源的使用壽命。在需要高LED輸出功率的應(yīng)用中，一些終端用戶選擇以高于數(shù)據(jù)表規(guī)格的電流來操作LED。以這種方式增加驅(qū)動(dòng)電流可以增加光輸出，CE認(rèn)證，但也會(huì)導(dǎo)致性能上的某些風(fēng)險(xiǎn)。

過熱是一個(gè)常見的問題，可以對(duì)LED的光輸出和壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。由于LED的即時(shí)開關(guān)功能，可以以周期性的方式快速打開和關(guān)閉LED。熒光的應(yīng)用通常需要更高的光輸出，通常使用脈沖模式（占空比）來更安全地增加LED電流。占空比是指在一個(gè)脈沖循環(huán)內(nèi)，通電時(shí)間相對(duì)于總時(shí)間所占的比例。例如，以50％占空比工作的LED，車間照明，關(guān)閉和打開的時(shí)間正好各一半。圖2顯示了各種驅(qū)動(dòng)電流和占空比下的歸一化光輸出。

圖2. 這里我們看到了不同的占空比對(duì)歸一化光輸出的影響，而開啟時(shí)間恒定在500μs。歸一化功率是相對(duì)于最大額定工作電流100mA時(shí)(加上合適的散熱器)光輸出的相對(duì)光輸出功率。

以高電流操作LED會(huì)影響LED結(jié)溫，從而影響壽命和光輸出。優(yōu)化占空比可以最大限度地減小驅(qū)動(dòng)電流對(duì)結(jié)溫的影響，從而保持LED的性能。圖3說明了占空比對(duì)維持LED結(jié)溫的影響。通過在5％占空比下工作，可以實(shí)現(xiàn)光輸出的三倍以上（如圖2所示），對(duì)結(jié)溫的影響最小。

圖3. 該圖顯示了不同的占空比對(duì)結(jié)溫的影響，商業(yè)照明燈具，其開啟時(shí)間保持恒定在500μs。

過熱會(huì)對(duì)LED的光輸出和使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。長期而言，這種熱量會(huì)降低LED的使用壽命。由于與較長波長的LED相比，醫(yī)院led照明，能量轉(zhuǎn)換成熱量的比例更大，因此設(shè)計(jì)UVC LED時(shí)，熱管理非常重要。正確的熱管理可使結(jié)溫保持在給定應(yīng)用所需的低溫度，并保持LED的性能。除了被動(dòng)和主動(dòng)冷卻方式之外，所選擇的PCB還可以實(shí)現(xiàn)更好的散熱。

圖4. 對(duì)比不帶散熱器的FR4和鋁芯PCB的熱盤溫度（a）；對(duì)比帶和不帶散熱器的鋁芯PCB的熱盤溫度（b）。

FR4是最常用的PCB材料之一，照明方案，商業(yè)照明，恒光電器,照亮您的生活，因?yàn)槠涑杀鞠鄬?duì)較低，但它的導(dǎo)熱性低。在熱負(fù)載高的系統(tǒng)中，金屬芯PCB具有更好的導(dǎo)熱性，是更優(yōu)的選擇。隨著散熱需求的增加，照明資質(zhì)，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)傾向于增加PCB面積，并添加散熱片以實(shí)現(xiàn)好的散熱管理。 如果需要進(jìn)一步散熱，質(zhì)量，設(shè)計(jì)師可以采用更多的主動(dòng)冷卻技術(shù)。

隨著UVC LED性能的提高，設(shè)計(jì)人員正在利用設(shè)計(jì)靈活性的優(yōu)勢(shì)，用于光譜儀器和消毒反應(yīng)器。LED在這些應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)會(huì)實(shí)現(xiàn)更緊湊、高效、更具成本效益的設(shè)計(jì)。隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，聰明的設(shè)計(jì)師將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的方法使用UVC LED的優(yōu)勢(shì)來應(yīng)對(duì)這些市場(chǎng)的挑戰(zhàn)。（編譯：LED網(wǎng) James）

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