Περιγράφω
Με τη βελτίωση των επιδόσεων UVC LED, η υιοθέτηση αυτής της σχετικά νέας τεχνολογίας αποκτά δυναμική στις επιστήμες της ζωής και στα όργανα παρακολούθησης του περιβάλλοντος. Όπως συμβαίνει με όλες τις αναδυόμενες τεχνολογίες, οι σχεδιαστές πρέπει να γνωρίζουν ορισμένες θεμελιώδεις διαφορές που σχετίζονται με τις υπάρχουσες λύσεις, αντί να υποθέτουν" plug-in" αντικαταστάτες. Αυτό επιτρέπει στους σχεδιαστές να συνειδητοποιήσουν τα πλήρη πλεονεκτήματα των LED UVC. Μετά από προσεκτική εξέταση, τα LED UVC μπορούν να μειώσουν το αποτύπωμα και την κατανάλωση ενέργειας, αυξάνοντας το κόστος ιδιοκτησίας για τον τελικό χρήστη.
LED UVC στο όργανο
Το ενδιαφέρον των UVC LED για φασματοσκοπία αυξάνεται επειδή μπορούν να αντιμετωπίσουν τις τάσεις της αγοράς σχετικά με τη μικρογραφία, τη μείωση του κόστους και τη μέτρηση σε πραγματικό χρόνο. Σε αντίθεση με τους λαμπτήρες φλας δευτερίου ή xenon, το φάσμα που εκπέμπεται από το LED είναι πολύ στενό και όλη η έξοδος φωτός της συσκευής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μέτρηση. Ο χρήστης μπορεί να επιλέξει το συγκεκριμένο μέγιστο μήκος κύματος ενδιαφέροντος σύμφωνα με τις απαιτήσεις της εφαρμογής. Σε ορισμένες εφαρμογές, έχει αναπτυχθεί μια τυποποιημένη μέθοδος μέτρησης και η γραμμή εκπομπής του λαμπτήρα υδραργύρου είναι 254nm. Για παράδειγμα, η ποιότητα του νερού και του αέρα που μετράται σύμφωνα με τα πρότυπα EPA απαιτούν τα LED να ταιριάζουν στενά με το μέγιστο μήκος κύματος των 254 nm. Ο Πίνακας 1 δείχνει μερικές σημαντικές οργανικές ενώσεις στην έρευνα της επιστήμης της ζωής, την παραγωγή φαρμάκων και την παρακολούθηση του περιβάλλοντος, οι οποίες μπορούν να αναγνωριστούν με φασματοσκοπία.
Πίνακας 1 Κοινές οργανικές ενώσεις με μέγιστο μήκος κύματος απορρόφησης
Ένα άλλο βασικό τυπικό όργανο για την επιλογή πηγής φωτός είναι η παραγωγή φωτός του μέγιστου μήκους κύματος. Επειδή το LED έχει μια μοναδική κορυφή, σε αντίθεση με άλλες λάμπες UV, η έξοδος φωτός συγκεντρώνεται σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος. Οι εφαρμογές φασματοσκοπίας απορρόφησης συνήθως απαιτούν χαμηλά επίπεδα φωτεινότητας-1 mW ή λιγότερο. Ωστόσο, στην περίπτωση που η κυψέλη ροής είναι απομονωμένη από την πηγή φωτός, απαιτείται υψηλότερη έξοδος λόγω της σημαντικής εξασθένησης του φωτός πριν φτάσει το σήμα στην μπαταρία. Αυτό μπορεί να αυξήσει την παραγωγή φωτός που απαιτείται από το LED σε περισσότερο από 1 mW. Στη φασματοσκοπία φθορισμού, η ένταση του σήματος είναι ευθέως ανάλογη με την ένταση του φωτός. Η ισχύς διέγερσης εξαρτάται από το επίπεδο συγκέντρωσης ιχνών που πρέπει να ανιχνευθεί, οπότε σε αυτές τις εφαρμογές, η έξοδος φωτός που απαιτείται από ένα μόνο LED μπορεί να είναι μεγαλύτερη από 2 mW. Το σχήμα 1 δείχνει τη σύγκριση ακτινοβολίας μεταξύ κοινών πηγών υπεριώδους φωτός στο όργανο. Αν και η ισχύς εισόδου του LED είναι πολύ μικρότερη, η απαιτούμενη ακτινοβολία μήκους κύματος UVC είναι υψηλότερη από άλλες πηγές φωτός, καθιστώντας την πιο αποτελεσματική πηγή φωτός για συγκεκριμένες μετρήσεις.
Εικόνα 1 Αυτό το διάγραμμα συγκρίνει την ακτινοβολία των UVC LED, του λαμπτήρα φλας xenon και του λαμπτήρα δευτερίου.
Μετά την επιλογή του μήκους κύματος και της εξόδου φωτός, μια άλλη σημαντική παράμετρος είναι η γωνία θέασης, επειδή θα επηρεάσει το οπτικό σύστημα του οργάνου. Σε γενικές γραμμές, υπάρχουν δύο επιλογές-στενή ή ευρεία γωνία. Το πρώτο επιτυγχάνεται με σφαιρικό φακό και το δεύτερο έχει επίπεδο παράθυρο. Η στενή γωνία θέασης επιτρέπει τη λήψη φωτός υψηλής έντασης σε μια μικρή περιοχή. Αυτός ο τύπος συσκευασίας χρησιμοποιείται συνήθως όταν εστιάζετε το φως απευθείας στο όργανο.
Η συσκευασία του παραθύρου του αεροπλάνου έχει ένα ευρύτερο μοτίβο ακτινοβολίας και έχει μεγαλύτερη ανοχή για ευθυγράμμιση με την οπτική ίνα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για απομακρυσμένη σύζευξη. Είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για εφαρμογές όπου η κυψέλη ροής πρέπει να απομονώνεται από την πηγή φωτός και τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό, όπως η παρακολούθηση χημικών διεργασιών υψηλής θερμοκρασίας ή χρωματογραφία υψηλής πτητικής διαλυτικής ουσίας. Σε πρακτικές εφαρμογές, ο σφαιρικός φακός στενής γωνίας μπορεί να διατηρήσει τα εξαρτήματα στο όργανο στο ελάχιστο, ενώ το επίπεδο παράθυρο μπορεί να βελτιώσει την ευελιξία του σχεδιασμού.
Βελτιστοποιήστε το ρεύμα της μονάδας δίσκου, έτσι ώστε ο σχεδιαστής να μπορεί να εξισορροπήσει την παραγωγή φωτός και τις απαιτήσεις ζωής. Η οδήγηση της λυχνίας LED κάτω από το ονομαστικό ρεύμα του κατασκευαστή' θα μειώσει την παραγωγή φωτός, αλλά θα αυξήσει επίσης τη διάρκεια ζωής της πηγής φωτός. Σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ισχύ εξόδου LED, ορισμένοι τελικοί χρήστες επιλέγουν να τρέχουν LED σε υψηλότερα ρεύματα από τις προδιαγραφές του φύλλου δεδομένων. Η αύξηση του ρεύματος κίνησης με αυτόν τον τρόπο μπορεί να αυξήσει την παραγωγή φωτός, αλλά φέρνει επίσης ορισμένους κινδύνους απόδοσης.
Η υπερθέρμανση είναι ένα κοινό πρόβλημα που θα επηρεάσει αρνητικά την παραγωγή φωτός και τη διάρκεια ζωής της λυχνίας LED. Λόγω της στιγμιαίας δυνατότητας μεταγωγής της λυχνίας LED, οι άνθρωποι μπορούν γρήγορα να ανάβουν και να σβήνουν περιοδικά το LED. Οι εφαρμογές φθορισμού απαιτούν γενικά υψηλότερη απόδοση φωτός και η λειτουργία παλμού (κύκλος λειτουργίας) χρησιμοποιείται συνήθως για μεγαλύτερη ασφάλεια του ρεύματος LED. Ο κύκλος λειτουργίας αναφέρεται στο ποσοστό μιας χρονικής περιόδου που ανάβει το LED. η περίοδος είναι ο συνολικός χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση ενός κύκλου μεταγωγής. Για παράδειγμα, μια λυχνία LED που λειτουργεί σε κύκλο λειτουργίας 50% θα ανάψει ακριβώς το μισό χρόνο και το μισό χρόνο. Το σχήμα 2 δείχνει την τυποποιημένη έξοδο φωτός σε διάφορα ρεύματα κίνησης και κύκλους λειτουργίας.
Σχήμα 2 Εδώ, βλέπουμε την επίδραση του μεταβαλλόμενου κύκλου λειτουργίας στην κανονικοποιημένη παραγωγή φωτός, ενώ ο χρόνος παραμένει σταθερός στα 500μs. Η τυποποιημένη ισχύς είναι η σχετική οπτική ισχύς εξόδου, σε σύγκριση με την οπτική έξοδο του μέγιστου ονομαστικού ρεύματος λειτουργίας 100 mA, χρησιμοποιώντας μια κατάλληλη ψύκτρα.
Η λειτουργία της λυχνίας LED υπό υψηλό ρεύμα θα επηρεάσει τη θερμοκρασία διασταύρωσης LED, η οποία θα επηρεάσει τη θερμοκρασία διασταύρωσης LED και θα επηρεάσει τη διάρκεια ζωής και την παραγωγή φωτός. Η βελτιστοποίηση του κύκλου λειτουργίας μπορεί να ελαχιστοποιήσει τον αντίκτυπο του αυξημένου ρεύματος κίνησης στη θερμοκρασία διασταύρωσης, διατηρώντας έτσι την απόδοση των LED. Το σχήμα 3 απεικονίζει την επίδραση της επίδρασης του κύκλου λειτουργίας στη διατήρηση της θερμοκρασίας σύνδεσης του LED. Δουλεύοντας με κύκλο λειτουργίας 5%, μπορεί να επιτευχθεί περισσότερο από τρεις φορές η παραγωγή φωτός (όπως φαίνεται στο σχήμα 2), με ελάχιστο αντίκτυπο στη θερμοκρασία διασταύρωσης.
Εικόνα 3 Αυτή η γραφική παράσταση δείχνει την επίδραση του μεταβαλλόμενου κύκλου λειτουργίας στη θερμοκρασία διασταύρωσης, ενώ ο χρόνος παραμένει σταθερός στα 500μs.
Η υπερθέρμανση θα έχει αρνητικό αντίκτυπο στην παραγωγή φωτός και τη διάρκεια ζωής των LED. Μακροπρόθεσμα, αυτή η θερμότητα θα μειώσει τη διάρκεια ζωής του LED. Όταν σχεδιάζετε με LED UVC, η θερμική διαχείριση είναι πολύ σημαντική επειδή το ποσοστό της ενέργειας που μετατρέπεται σε θερμότητα είναι μεγαλύτερο από αυτό των LED μεγάλου μήκους κύματος. Η σωστή θερμική διαχείριση μπορεί να διατηρήσει τη θερμοκρασία σύνδεσης στη χαμηλότερη θερμοκρασία που απαιτείται για μια δεδομένη εφαρμογή και να διατηρήσει την απόδοση της λυχνίας LED. Εκτός από τις παθητικές και ενεργές μεθόδους ψύξης, το επιλεγμένο PCB μπορεί επίσης να φέρει καλύτερη διάχυση θερμότητας.
Εικόνα 4 Αυτή η γραφική παράσταση δείχνει τη θερμοκρασία θερμικής επένδυσης (a) του PCB FR4 και πυρήνα αλουμινίου χωρίς ψύκτρα σε σύγκριση με τη θερμοκρασία θερμικής βάσης (b) του PCB πυρήνα αλουμινίου με και χωρίς ψύκτρα.
Το FR4 είναι ένα από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα υλικά PCB λόγω του σχετικά χαμηλού κόστους του, αλλά έχει επίσης χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Σε ένα σύστημα με υψηλότερο θερμικό φορτίο στο σύστημα, ένα μεταλλικό PCB με καλύτερη θερμική αγωγιμότητα είναι μια καλύτερη επιλογή. Καθώς η ζήτηση για διάχυση θερμότητας αυξάνεται, οι σχεδιαστές συνήθως στρέφονται στην αύξηση της περιοχής PCB και στην προσθήκη απορροφητήρων θερμότητας για να επιτύχουν εξαιρετική θερμική διαχείριση. Εάν απαιτείται περαιτέρω διάχυση θερμότητας, οι σχεδιαστές μπορούν να χρησιμοποιήσουν πιο ενεργές τεχνικές ψύξης. Καθώς βελτιώνεται η απόδοση των UVC LED, οι σχεδιαστές εκμεταλλεύονται την ευελιξία σχεδιασμού φασματοσκοπικών οργάνων και αντιδραστήρων απολύμανσης. Τα πλεονεκτήματα των LED σε αυτές τις εφαρμογές επιτρέπουν πιο συμπαγή, αποδοτικά και συχνά πιο οικονομικά σχέδια. Με τη συνεχή ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας, οι έξυπνοι σχεδιαστές θα βρουν περισσότερους τρόπους για να χρησιμοποιήσουν τα πλεονεκτήματα του UVC LED για να αντιμετωπίσουν τις προκλήσεις αυτών των αγορών.
