УФ светодиоды диапазона UV-C для дезинфекции - РАДИОСХЕМЫ

     интересные РАДИОСХЕМЫ самодельные


» ПОИСК СХЕМ



» РАДИОБЛОГИ
Миниатюрный щуп-вольтметр
Программатор ARM Cortex USB и Flash Magic
Светодиодный свет для растений
УФ светодиоды диапазона UV-C для дезинфекции
Драйвер ШИМ с нулевым потреблением тока в режиме ожидания
Программируемый логический элемент
Дистанционный переключатель из модуля радиоуправления игрушками
Усилитель для петличного конденсаторного микрофона

УФ светодиоды диапазона UV-C для дезинфекции

В обычных устройствах для дезинфекции и стерилизации используются ртутные лампы низкого давления для излучения необходимого спектра, но светодиоды и здесь пытаются вытеснить лампочки, причём довольно успешно так как имеют много преимуществ: большую энергоэффективность, более высокую световую отдачу, длительный срок службы и низкие эксплуатационные расходы.

Светодиоды УФ спектра UV-A относительно легко производить, поскольку они изготавливаются путем модификации синих светодиодов. Они доступны на рынке более десяти лет и в основном используются в качестве активаторов процесса отвердения химических материалов. Но дезинфекция требует использования более мощного излучения, то есть диапазона UV-C.

Светодиоды UV-C также доступны на рынке уже нескольких лет, но их нельзя считать простой заменой обычных ртутных ламп, поскольку они предъявляют множество новых требований к конструкции, включая точное формирование потока излучения для обеспечения надлежащей работы. Более того, светодиоды этого спектра опасны не только для бактерий и вирусов, но и для людей, поэтому защита тоже является важным элементом.

УФ-свет для уничтожения болезнетворных микроорганизмов

УФ-излучение находится между видимым светом и рентгеновским излучением и охватывает часть спектра с длиной волны от 400 до 100 нм. Чем короче длина волны, тем больше энергия и выше частота.

УФ-излучение занимает спектр в диапазоне 100–400 нм и делится на три типа: A, B и C

На основе взаимодействия УФ-излучения с биологическими материалами были определены три типа УФ-излучения: A (400–315 нм), B (314–280 нм) и C (279–100 нм). Солнце является источником всех этих диапазонов, но воздействие на человека в основном ограничено УФ-А, поскольку УФ-В и УФ-С задерживаются озоновым слоем Земли.

Есть несколько методов получения всех трех типов УФ-излучения. Это ртутные лампы и УФ-светодиоды. UV-C от ртутных ламп использовался для борьбы с патогенами задолго до эпидемии. Недавние исследования эффективности УФ-С показали, что длины волн от 250 до 280 нм поглощаются вирусной РНК, а общая доза 17 Дж / м2 инактивирует 99,9% биологического материала. Но следует отметить, что этот уровень радиации не убивает вирус полностью, а в достаточной степени разрушает его РНК, чтобы предотвратить репликацию, делая его безвредным.

Источники ультрафиолетового излучения

Традиционным источником ультрафиолетового излучения является ртутная газоразрядная лампа, которая выделяет пары ртути при низком давлении. Трубка из кварцевого стекла излучает с максимальной длиной волны UV-C 185 нм, что делает ее хорошо подходящей для дезинфекции и стерилизации. Такие лампы относительно эффективны и долговечны по сравнению с обычными лампами накаливания, но их главный недостаток - выброс токсичной ртути если лампа побъётся при использовании или утилизации.

Ртутные лампы низкого давления были основным источником УФ-излучения

Светодиоды UV-C имеют те же преимущества что и обычные LED, зато не представляют такой экологической опасности, как источники света на основе ртути. В них используются подложки из AlGaN, они менее эффективны и стоят дороже, чем синие светодиоды, в основном потому что нитрид галлия непрозрачен для УФ-излучения. В результате относительно небольшое количество излучаемых фотонов UV-C покидает структуру. Но последние достижения в области технологий, включая металлизацию, текстурированные поверхности, микропоры и соответствующую объемную форму активного слоя, повысили эффективность УФ-светодиодов, что позволяет использовать их в таких устройствах и обеспечивать приемлемые характеристики. Хотя они и стоят заметно дороже.

Примеры светодиодов для UV-C

На рынке имеется несколько видов светодиодов UV-C для систем дезинфекции. Например, Luminus Devices предлагает версию с максимальной эмиссией на 277 нм под названием XBT-3535-UV-A130- CC275-01. Он обеспечивает поток от 30 до 55 мВт, потребляя до 350 мА при напряжении 5 - 7,5 В.

Для обеззараживания вирусов пик излучения должен составлять 250-280 нм, как показано для XBT-3535-UV-A130-CC275-01

Альтернативой является светодиод VLMU35CB20-275-120 от Vishay Semiconductor с пиком излучения на 277 нм, заключенный в керамический корпус с кварцевым окном. Его мощность излучения 14 мВт при напряжении питания 150 мА / 6,5 В.

Светодиод Vishay 277 нм UV-C в керамическом корпусе с кварцевым окном

Еще один продукт этого типа - CUD5GF1B - предлагает компания SETi / Seoul Viosys. Этот LED имеет максимум излучения при 255 нм и установлен в керамический корпус для поверхностного монтажа с низким тепловым сопротивлением. Его мощность излучения 7 мВт при питании 200 мА / 7,5 В. Преимущество: минимальное влияние температуры на пик излучения, всего на 1 нм в диапазоне температур 25–80°C. Это довольно важный вопрос, когда требуется высокая точность экспозиции.

Длина волны максимального излучения диода SETi / Seoul Viosys CUD5GF1B UV-C изменяется не более чем на 1 нм в диапазоне температур 25-80 ° C

Проектирование устройств со светодиодами UV-C

При выборе светодиодов УФ-С для дезинфекции или стерилизации процесс проектирования следует начинать с определения области, на которую будет падать свет, и поток излучения в Вт / м2, необходимый для инактивации микроорганизмов.

Например рассмотрим устройство для дезинфекции воздуха, выходящего из воздуховода кондиционера. При потребности в энергии 17 Дж / м2 и площади 0,25 м2 при времени воздействия 5 с необходимо использовать источник питания приблизительно 4 Вт / м2.

Затем необходимо продумать как УФ-излучение может попасть на продезинфицированную поверхность. Правило состоит в том, чтобы учесть поток излучения каждого светодиода и разделить общую интенсивность излучения на это число, чтобы получить количество светодиодов, необходимое всего. Этот приблизительный расчет является упрощением, поскольку он не принимает во внимание распределение этого потока. Два фактора определяют как поток излучения попадает на поверхность цели. Первый - это расстояние от светодиода до объекта, а второй - угол луча светодиода.

Если светодиод считается точечным источником, его яркость падает пропорционально квадрату расстояния. Например, если на расстоянии 1 см от точки излучения она составляет 10 мВт / см2, то на расстоянии 10 см энергетическая освещенность упадет до 0,1 мВт / см2. Но эти расчеты предполагают что LED излучает равномерно во всех направлениях, что неверно, поскольку оптическая система светодиодов направляет луч излучения в определенном направлении. Производители обычно указывают угол луча светодиодов, который определяется как площадь в которой достигается 50% пиковой интенсивности по обе стороны от источника.

Описанные выше светодиоды Luminus Devices, Vishay и SETi / Seoul Viosys UV-C имеют угол луча 130°, 120° и 125° соответственно. На рисунке показана диаграмма направленности XBT-3535-UV-A130-CC275-01. Пунктирная линия показывает где было достигнуто 50% пикового значения, что определяет угол луча +/-65°.

Пунктирная линия на кривой формы излучения указывает где достигнуто 50% максимальной освещенности

Угол луча определяет отношение размера светодиодной структуры к размеру оптики. Следовательно, получение более узкого луча требует использования излучателя меньшего размера или большей оптики. Компромисс конструкции заключается в том, что чем меньше размер чипа, тем ниже излучение, а большую оптику сделать труднее, так как это увеличивает цену и снижает контроль угла.

Коммерчески доступные светодиоды обычно поставляются с заводской оптикой, здесь конструкторы не могут повлиять на размер структуры и оптики. Поэтому важно проверить угол излучения луча, так как два одинаковых элемента здесь могут быть совершенно разными.

Хотя требуемое расстояние светодиода от облучаемой поверхности и угол излучения образуют два основных параметра предварительного отбора, существуют дополнительные моменты. Например, характеристики излучения LED от разных производителей с одинаковой выходной мощностью и углом луча могут существенно различаться в зависимости от конструкции оптической системы. Следовательно, единственный способ надежно сравнить и протестировать продукты - это измерить фактические значения.

Обладая этими знаниями, исходя из расстояния между светодиодным излучателем и дезинфицируемой поверхностью, можно рассчитать сколько светодиодов потребуется и как их следует расположить для получения желаемой освещенности в активной области.

Окончательный выбор сводится к компромиссу между стоимостью, энергоэффективностью и сложностью. Светодиоды UV-C дороги, поэтому одним из решений может быть использование меньшего количества и более мощных излучателей, чем наоборот. Таким образом, помимо стоимости, преимуществом является более низкая сложность контроллера. Обратной стороной является то, что из-за низкой эффективности светодиодов потребуется лучшее управление температурой для поддержания длительного срока службы, поскольку высокая температура резко сокращает срок службы светодиодов. Это требует использования радиаторов большего размера, что сводит на нет часть ожидаемой экономии.

Проектирование дополнительной оптики

Альтернативой добавлению дополнительных диодов или увеличению мощности является использование дополнительной (вторичной) оптики. Эти элементы коллимируют (фокусируют) излучение, то есть создают направленный луч света равной интенсивности, уменьшая изменения возникающие в результате изменений интенсивности в результате ограниченного угла излучения. Теоретически с коллиматором освещенность на целевой поверхности должна быть равномерной (независимо от расположения светодиода), и заданный уровень излучения может быть достигнут с меньшим количеством светодиодов, поскольку будет потеряна меньше энергии. В качестве альтернативы, более высокая освещенность может быть достигнута с тем же количеством светодиодов по сравнению с версией без вторичной оптики (350 мВт / м2 против 175 мВт / м2).

Использование коллиматора со вторичной оптикой (слева) увеличивает облучение целевой области

На практике излучение с помощью вторичной оптики менее однородно, потому что даже в лучших изделиях коллимация несовершенна из-за явления дифракции (хотя чем меньше размер светодиода, тем лучше коллимация). Кроме того, часто требуются длительные эксперименты с размещением светодиодов и вторичной оптики, чтобы обеспечить требуемую освещенность с меньшим количеством излучателей по сравнению с аналогичной конструкцией без такой оптики. Оптические элементы для УФ-диодов изготовлены из материалов, отличных от материалов, используемых в видимом свете.

Меры предосторожности при работе с УФ

Хотя УФ-излучение не может глубоко проникнуть в кожу человека, оно всё-же поглощается и может вызвать ожоги. Ультрафиолетовый свет особенно опасен для глаз, так как может повредить сетчатку и роговицу. При взаимодействии с воздухом УФ-излучение может генерировать озон, который считается опасным для здоровья в высоких концентрациях.

Эти риски делают хорошей практикой разработку продуктов, не позволяющих пользователям смотреть прямо на светодиоды. Поскольку UV-C излучение невидимо, хорошей практикой является выбор излучателей, которые намеренно имеют видимое синее излучение. Это дает понять, когда светодиоды работают.

В общем хотя наиболее популярным искусственным источником УФ-излучения пока остается ртутная лампа, все чаще светодиоды UV-C становятся более эффективной и долговечной альтернативой, которая, кроме того, не требует дорогостоящей утилизации.



Maestro - 14.07.2021 - Прочитали: 737

МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ С ПЛАНАРНОЙ КАТУШКОЙ

Модуль простого транзисторного металлоискателя из Китая - схема принципиальная и испытание этого МД.


ПРИСТАВКИ К МУЛЬТИМЕТРУ

Сборник из 10 конструкций и схем приставок к цифровым мультиметрам, расширяющих функционал измерительных приборов.


ГИТАРНЫЙ КОМБИК С ЭФФЕКТАМИ

Схема гитарного комбо-усилителя с блоком эффектов на базе микросхем TDA2052, PT2399 и TL072.




Ваши комментарии к материалу
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]


» РАДИОЭЛЕМЕНТЫ


© 2010-2021 "Радиосхемы". Все права защищены  Почта  PDA   Группа вконтакте   Канал ютуб   Группа в фэйсбук