Descrivere
Con il miglioramento delle prestazioni dei LED UVC, l'adozione di questa tecnologia relativamente nuova sta guadagnando slancio nelle scienze della vita e negli strumenti di monitoraggio ambientale. Come per tutte le tecnologie emergenti, i progettisti devono essere consapevoli di alcune differenze fondamentali relative alle soluzioni esistenti, piuttosto che assumere sostituzioni "plug-in". Ciò consente ai progettisti di realizzare tutti i vantaggi dei LED UVC. Dopo un'attenta considerazione, i LED UVC possono ridurre l'ingombro e il consumo energetico, aumentando il costo di proprietà per l'utente finale.
LED UVC nello strumento
L'interesse dei LED UVC per la spettroscopia è in aumento perché possono affrontare le tendenze del mercato in termini di miniaturizzazione, riduzione dei costi e misurazione in tempo reale. A differenza delle lampade flash al deuterio o allo xeno, lo spettro emesso dal LED è molto stretto e tutta l'emissione luminosa del dispositivo può essere utilizzata per la misurazione. L'utente può selezionare la specifica lunghezza d'onda di picco di interesse in base ai requisiti dell'applicazione. In alcune applicazioni, è stato sviluppato un metodo di misurazione standardizzato e la linea di emissione della lampada al mercurio è di 254 nm. Ad esempio, la qualità dell'acqua e dell'aria misurata secondo gli standard EPA richiede che i LED corrispondano strettamente alla lunghezza d'onda di picco di 254 nm. La Tabella 1 mostra alcuni importanti composti organici nella ricerca sulle scienze della vita, nella produzione di farmaci e nel monitoraggio ambientale, che possono essere identificati mediante spettroscopia.
Tabella 1 Composti organici comuni con lunghezza d'onda di assorbimento di picco
Un altro strumento standard principale per la selezione della sorgente luminosa è l'emissione luminosa della lunghezza d'onda di picco. Poiché il LED ha un singolo picco, a differenza di altre lampade UV, l'emissione luminosa è concentrata a una specifica lunghezza d'onda. Le applicazioni di spettroscopia di assorbimento di solito richiedono bassi livelli di emissione luminosa-1 mW o meno. Tuttavia, nel caso in cui la cella di flusso sia isolata dalla sorgente luminosa, è necessaria un'uscita più elevata a causa della significativa attenuazione della luce prima che il segnale raggiunga la batteria. Ciò può aumentare l'emissione luminosa richiesta dal LED a più di 1 mW. Nella spettroscopia di fluorescenza, l'intensità del segnale è direttamente proporzionale all'intensità della luce. La potenza di eccitazione dipende dal livello di concentrazione di tracce che deve essere rilevato, quindi in queste applicazioni, l'emissione luminosa richiesta da un singolo LED può essere superiore a 2 mW. La Figura 1 mostra il confronto dell'irraggiamento tra le comuni sorgenti di luce UV nello strumento. Sebbene la potenza di ingresso del LED sia molto più piccola, l'irradianza della lunghezza d'onda UVC richiesta è superiore rispetto ad altre sorgenti luminose, rendendolo una fonte di luce più efficace per misurazioni specifiche.
Figura 1 Questo grafico confronta l'irraggiamento del LED UVC, della lampada flash allo xeno e della lampada al deuterio.
Dopo aver selezionato la lunghezza d'onda e l'emissione luminosa, un altro parametro importante è l'angolo di visione, perché influenzerà il sistema ottico dello strumento. In generale, ci sono due opzioni: angolo stretto o grandangolo. Il primo è ottenuto con una lente sferica e il secondo ha una finestra piatta. L'angolo di visione stretto consente di ottenere luce ad alta intensità in una piccola area. Questo tipo di pacchetto viene solitamente utilizzato quando si focalica la luce direttamente nello strumento.
Il pacchetto finestra piana ha un modello di radiazione più ampio e ha una tolleranza maggiore per l'allineamento con la fibra ottica e può essere utilizzato per l'accoppiamento remoto. È particolarmente adatto per applicazioni in cui la cella di flusso deve essere isolata dalla sorgente luminosa e dalle apparecchiature elettroniche, come il monitoraggio di processi chimici ad alta temperatura o la cromatografia a solvente ad alta volatilità. Nelle applicazioni pratiche, la lente sferica ad angolo stretto può ridurre al minimo i componenti dello strumento, mentre la finestra piana può migliorare la flessibilità di progettazione.
Ottimizzare la corrente di azionamento, in modo che il progettista possa bilanciare l'emissione luminosa e i requisiti di durata dell'applicazione. Guidare il LED al di sotto della corrente nominale del produttore ridurrà l'emissione luminosa, ma aumenterà anche la durata della sorgente luminosa. Nelle applicazioni che richiedono un'elevata potenza di uscita LED, alcuni utenti finali scelgono di eseguire LED a correnti più elevate rispetto alle specifiche della scheda tecnica. Aumentare la corrente di azionamento in questo modo può aumentare l'emissione luminosa, ma comporta anche alcuni rischi per le prestazioni.
Il surriscaldamento è un problema comune che influenzerà negativamente l'emissione luminosa e la durata del LED. Grazie alla capacità di commutazione istantanea del LED, le persone possono accendere e spegnere rapidamente il LED periodicamente. Le applicazioni in fluorescenza richiedono generalmente un'emissione luminosa più elevata e il funzionamento in modalità a impulsi (duty cycle) viene solitamente utilizzato per aumentare in modo più sicuro la corrente del LED. Il ciclo di lavoro si riferisce alla percentuale di un periodo di tempo in cui il LED è acceso; il periodo è il tempo totale necessario per completare un ciclo di commutazione. Ad esempio, un LED che funziona con un ciclo di lavoro del 50% si accenderà esattamente metà del tempo e metà del tempo. La Figura 2 mostra l'emissione luminosa standardizzata a varie correnti di azionamento e cicli di lavoro.
Figura 2 Qui, vediamo l'effetto del ciclo di lavoro variabile sull'emissione luminosa normalizzata, mentre il tempo di funzionamento rimane costante a 500μs. La potenza standardizzata è la potenza di uscita ottica relativa, confrontata con l'uscita ottica della corrente di funzionamento nominale massima di 100 mA, utilizzando un dissipatore di calore appropriato.
Il funzionamento del LED in corrente elevata influirà sulla temperatura di giunzione del LED, che influenzerà la temperatura di giunzione del LED e influenzerà la vita e l'emissione luminosa. L'ottimizzazione del ciclo di lavoro può ridurre al minimo l'impatto dell'aumento della corrente di azionamento sulla temperatura di giunzione, mantenendo così le prestazioni dei LED. La Figura 3 illustra l'effetto dell'influenza del ciclo di lavoro sul mantenimento della temperatura di giunzione del LED. Lavorando con un ciclo di lavoro del 5%, è possibile ottenere più di tre volte l'emissione luminosa (come mostrato nella Figura 2), con un impatto minimo sulla temperatura di giunzione.
Figura 3 Questo grafico mostra l'effetto della variazione del ciclo di lavoro sulla temperatura di giunzione mentre il tempo di funzionamento rimane costante a 500μs.
Il surriscaldamento avrà un impatto negativo sull'emissione luminosa e sulla durata del LED. A lungo termine, questo calore ridurrà la durata del LED. Quando si progetta con LED UVC, la gestione termica è molto importante perché la proporzione di energia convertita in calore è maggiore di quella dei LED a lunga lunghezza d'onda. Una corretta gestione termica può mantenere la temperatura di giunzione alla temperatura più bassa richiesta per una determinata applicazione e mantenere le prestazioni del LED. Oltre ai metodi di raffreddamento passivo e attivo, il PCB selezionato può anche portare una migliore dissipazione del calore.
Figura 4 Questo grafico mostra la temperatura del pad termico (a) di FR4 e PCB con nucleo in alluminio senza dissipatore di calore rispetto alla temperatura del pad termico (b) del PCB con nucleo in alluminio con e senza dissipatore di calore.
FR4 è uno dei materiali PCB più comunemente usati a causa del suo costo relativamente basso, ma ha anche una bassa conduttività termica. In un sistema con un carico termico più elevato nel sistema, un PCB con nucleo metallico con una migliore conduttività termica è una scelta migliore. Con l'aumentare della domanda di dissipazione del calore, i progettisti di solito si rivolgono all'aumento dell'area PCB e all'aggiunta di dissipatori di calore per ottenere un'eccellente gestione termica. Se è necessaria un'ulteriore dissipazione del calore, i progettisti possono utilizzare tecniche di raffreddamento più attive. Con il miglioramento delle prestazioni dei LED UVC, i progettisti stanno sfruttando la flessibilità di progettazione degli strumenti spettroscopici e dei reattori di disinfezione. I vantaggi dei LED in queste applicazioni consentono progetti più compatti, efficienti e spesso più convenienti. Con il continuo sviluppo di questa tecnologia, i progettisti intelligenti troveranno più modi per utilizzare i vantaggi dei LED UVC per affrontare le sfide di questi mercati.
