解密能殺菌的短波紫外線LED技術(shù)

文章來(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2016-06-17

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隨著UVC LED(短波紫外線LED)的性能不斷提升，這種新技術(shù)正從生命科學(xué)和環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器應(yīng)用中獲得動(dòng)能。如同對(duì)于所有新興技術(shù)一樣，設(shè)計(jì)人員必須瞭解其與現(xiàn)有方案的一些基本差異，而不是理所當(dāng)然地認(rèn)為可以“即換即用”。這讓設(shè)計(jì)者能充份發(fā)揮UVC LED的全部?jī)?yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)仔細(xì)地權(quán)衡，采用UVCLED的設(shè)計(jì)可以縮小產(chǎn)品體積、降低功耗，并為終端用戶降低擁有成本。

UVC LED的儀控應(yīng)用

由于UVCLED能滿足市場(chǎng)對(duì)于小型化、降低成本和即時(shí)測(cè)量等趨勢(shì)的要求，將其導(dǎo)入光譜應(yīng)用的興趣正持續(xù)升溫。相較于氘或氙氣閃光燈，LED輸出較窄頻譜光源，元件的光輸出全部都可用于測(cè)量。使用者可根據(jù)應(yīng)用需求選擇感興趣的特定峰值波長(zhǎng)。針對(duì)特定應(yīng)用，目前已開(kāi)發(fā)出254nm波長(zhǎng)水銀燈的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量方法。例如，當(dāng)依據(jù)EPA標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)水和空氣品質(zhì)時(shí)，需要一個(gè)接近254nm峰值波長(zhǎng)的LED光源。表1整理在生命科學(xué)研究、藥品生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中，能以光譜辨識(shí)的一些重要有機(jī)化合物。

表1：常見(jiàn)的有機(jī)化合物及其峰值吸收波長(zhǎng)

在儀控應(yīng)用中，選擇光源的另一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)是峰值波長(zhǎng)的光輸出。由于LED只有單一峰值，所以光輸出均集中于一個(gè)特定波長(zhǎng)，家用照明，這和其它紫外線(UV)燈并不一樣。吸收光譜的應(yīng)用通常需要低層級(jí)的光輸出——1mW或以下。然而，在流通池(flowcell)與光源隔離的情況，由于光訊號(hào)在到達(dá)流通池前存在嚴(yán)重衰減，所以需要更高的光輸出功率。這可要求LED的光輸出遠(yuǎn)超1mW。

在螢光光譜域，訊號(hào)強(qiáng)度與光的強(qiáng)度成正比。LED的激勵(lì)功率取決于所需檢測(cè)的示蹤劑濃度高低， led質(zhì)量，所以在這些應(yīng)用中，單個(gè)LED所需的光輸出可能大于2mW。圖1比較儀器中常用的UV光源輻照度。盡管LED的輸入功率要小得多，但在所需UVA波長(zhǎng)段的輻照度卻高于其它光源，使其成為在特定測(cè)量中實(shí)現(xiàn)更高效的光源。

圖1：UVC LED、氙氣閃光燈和氘燈的輻照度比較

在選擇波長(zhǎng)與光輸出后，另一個(gè)重要參數(shù)是視角，它影響到儀器的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。廣泛來(lái)說(shuō)，LED球泡燈，它有兩種選擇：窄視角或?qū)捯暯�。窄視角�?jīng)由球透鏡實(shí)現(xiàn)，照明方案，寬視角則采用平面窗。窄視角可在小范圍內(nèi)獲得高強(qiáng)度光，而其封裝通常用于光直接聚焦投射于儀器的應(yīng)用。

平面窗具有更廣的輻射模式，當(dāng)與光纖同時(shí)用于遠(yuǎn)端耦合時(shí)，具有較佳的容限。這特別適用于流通池必須與光源和電子電路隔離的應(yīng)用(例如監(jiān)測(cè)高溫化學(xué)過(guò)程或具有高揮發(fā)性溶劑的色譜分析)。在實(shí)際應(yīng)用中：窄角球透鏡可使儀器中的元件數(shù)減至最少；而寬角平面窗則使設(shè)計(jì)更具有靈活性。

最佳化驅(qū)動(dòng)電流，國(guó)際資訊，讓設(shè)計(jì)工程師可均衡光輸出以及應(yīng)用的使用壽命要求。以低于制造商規(guī)范評(píng)等的額定電流驅(qū)動(dòng)LED，工程照明，將會(huì)降低光輸出，但也將延長(zhǎng)光源的使用壽命。在需要高LED輸出功率的應(yīng)用中，有些終端使用者選擇以高于資料表規(guī)格的電流驅(qū)動(dòng)LED。以這種方式提高驅(qū)動(dòng)電流，產(chǎn)業(yè)資訊，則可增加光輸出，但也會(huì)帶來(lái)犧牲性能的風(fēng)險(xiǎn)。

過(guò)熱是一種常見(jiàn)的問(wèn)題，它可能同時(shí)對(duì)LED的光輸出和生命周期帶來(lái)負(fù)面影響。由于LED的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性，可以周期性方式快速開(kāi)啟和關(guān)閉LED。在一般需要更高光輸出的螢光應(yīng)用中，經(jīng)常采用工作周期(dutycycle)操作，以便更安全地提高LED電流。

工作周期定義為L(zhǎng)ED在一次周期中開(kāi)啟時(shí)間所占的百分比；其中，周期是指完成一次LED開(kāi)-關(guān)循環(huán)所用的總時(shí)間。例如，以50%工作周期作業(yè)的LED，其開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間恰好各占一半。圖2顯示不同驅(qū)動(dòng)電流與工作周期的標(biāo)準(zhǔn)化光輸出。

圖2：在此我們看到不同工作周期對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化光輸出的影響，裝修照明，恒光，同時(shí)，國(guó)內(nèi)資訊，LED的開(kāi)啟時(shí)間持續(xù)在500μs。標(biāo)準(zhǔn)化功率是相對(duì)于最大額定工作電流100mA時(shí)(加裝合適散熱片)光輸出的相對(duì)光輸出功率以大電流驅(qū)動(dòng)LED會(huì)影響LED結(jié)溫，進(jìn)而影響其使用壽命和光輸出。

最佳化工作周期可讓增加的驅(qū)動(dòng)電流對(duì)結(jié)溫的影響降至最小，口碑，從而保護(hù)LED性能。圖3顯示工作周期對(duì)維持LED結(jié)溫可能產(chǎn)生的影響。以5%的工作周期操作LED，可在對(duì)結(jié)溫影響最低的情況下，使光輸出(圖2)提高三倍。

圖3：圖中顯示不同工作周期對(duì)結(jié)溫的影響，其中LED開(kāi)啟時(shí)間都是500μs

過(guò)度發(fā)熱對(duì)于LED光輸出和使用壽命帶來(lái)負(fù)面影響。長(zhǎng)期來(lái)看，發(fā)熱會(huì)縮短LED的使用壽命。采用UVCLED設(shè)計(jì)時(shí)，車間照明，熱管理極其重要，因?yàn)橄噍^于更長(zhǎng)波長(zhǎng)的LED，驅(qū)動(dòng)UVCLED能量的更大部份被轉(zhuǎn)化為熱量。適當(dāng)?shù)臒峁芾砟苁菇Y(jié)溫低于特定應(yīng)用的要求，并保持LED的性能。除了被動(dòng)和主動(dòng)冷卻方法，所選擇的PCB也可以實(shí)現(xiàn)更佳散熱。

圖4：圖中比較未使用散熱片的FR4和Al PCB的熱墊溫度(a)；以及使用和不使用散熱片的AlPCB的熱墊溫度(b)

FR4由于其成本相對(duì)較低，是最常用的PCB材料之一，但其熱導(dǎo)率較低。對(duì)于系統(tǒng)熱負(fù)載高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，熱導(dǎo)率更高的金屬芯PCB是更好選擇。隨著散熱需求增加，超市照明，辦公照明，恒光電器,照亮您的生活，設(shè)計(jì)者通常采用加大PCB面積和增加散熱片的方式實(shí)現(xiàn)較優(yōu)質(zhì)的熱管理。如果需要更強(qiáng)的散熱，設(shè)計(jì)者還可采用更積極的冷卻技術(shù)。

隨著UVC LED性能提高，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始將其設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)勢(shì)用在光譜儀器和消毒反應(yīng)器等應(yīng)用中。在這些應(yīng)用中選用LED，可實(shí)現(xiàn)更緊密、更高效，通常也更具成本效益的設(shè)計(jì)。隨著UVC LED技術(shù)的不斷發(fā)展，聰明的設(shè)計(jì)師將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多方法來(lái)發(fā)揮UVC LED的優(yōu)勢(shì)以因應(yīng)這些市場(chǎng)的挑戰(zhàn)。 

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