Opisać
Wraz z poprawą wydajności UVC LED, przyjęcie tej stosunkowo nowej technologii nabiera tempa w naukach przyrodniczych i instrumentach monitorowania środowiska. Podobnie jak w przypadku wszystkich nowych technologii, projektanci muszą zdawać sobie sprawę z pewnych zasadniczych różnic związanych z istniejącymi rozwiązaniami, zamiast zakładać zamienniki "wtyczek". Dzięki temu projektanci mogą w pełni wykorzystać zalety diod UVC. Po dokładnym rozważeniu, diody LED UVC mogą zmniejszyć zajmowaną powierzchnię i zużycie energii, zwiększając koszty posiadania dla użytkownika końcowego.
UvC LED w instrumencie
Zainteresowanie diodami LED UVC do spektroskopii rośnie, ponieważ mogą one odpowiadać na trendy rynkowe związane z miniaturyzacją, redukcją kosztów i pomiarami w czasie rzeczywistym. W przeciwieństwie do deuteru lub ksenonowych lamp błyskowych, widmo emitowane przez diodę LED jest bardzo wąskie, a cała moc świetlna urządzenia może być wykorzystana do pomiaru. Użytkownik może wybrać konkretną szczytową długość fali zainteresowania zgodnie z wymaganiami aplikacji. W niektórych zastosowaniach opracowano znormalizowaną metodę pomiarową, a linia emisyjna lampy rtęciowej wynosi 254 nm. Na przykład jakość wody i powietrza mierzona zgodnie z normami EPA wymaga, aby diody LED ściśle odpowiadały szczytowej długości fali 254 nm. Tabela 1 pokazuje niektóre ważne związki organiczne w badaniach w dziedzinie nauk przyrodniczych, produkcji leków i monitorowaniu środowiska, które można zidentyfikować za pomocą spektroskopii.
Tabela 1 Wspólne związki organiczne o szczytowej długości fali absorpcyjnej
Innym głównym standardowym instrumentem do wyboru źródła światła jest moc świetlna szczytowej długości fali. Ponieważ dioda LED ma pojedynczy pik, w przeciwieństwie do innych lamp UV, strumień świetlny koncentruje się na określonej długości fali. Zastosowania spektroskopii absorpcyjnej zwykle wymagają niskiego poziomu mocy świetlnej - 1 mW lub mniej. Jednak w przypadku, gdy ogniwo przepływowe jest odizolowane od źródła światła, wymagana jest wyższa moc ze względu na znaczne tłumienie światła, zanim sygnał dotrze do akumulatora. Może to zwiększyć moc świetlną wymaganą przez diodę LED do ponad 1 mW. W spektroskopii fluorescencyjnej natężenie sygnału jest wprost proporcjonalne do natężenia światła. Moc wzbudzenia zależy od poziomu stężenia śladowego, który należy wykryć, więc w tych zastosowaniach moc świetlna wymagana przez pojedynczą diodę LED może być większa niż 2 mW. Rysunek 1 pokazuje porównanie natężenia promieniowania między typowymi źródłami światła UV w instrumencie. Chociaż moc wejściowa diody LED jest znacznie mniejsza, wymagane natężenie promieniowania uvC na długości fali UVC jest wyższe niż w przypadku innych źródeł światła, co czyni ją bardziej efektywnym źródłem światła dla określonych pomiarów.
Rysunek 1 Ten wykres porównuje natężenie promieniowania UVC LED, ksenonowej lampy błyskowej i lampy deuterowej.
Po wybraniu długości fali i mocy świetlnej kolejnym ważnym parametrem jest kąt widzenia, ponieważ wpłynie to na układ optyczny instrumentu. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwie opcje - wąski kąt lub szeroki kąt. Ten pierwszy osiąga się za pomocą sferycznej soczewki, a drugi ma płaskie okno. Wąski kąt widzenia pozwala na uzyskanie światła o dużym natężeniu na małym obszarze. Ten typ opakowania jest zwykle używany podczas ogniskowania światła bezpośrednio na instrumencie.
Pakiet okien samolotowych ma szerszy wzór promieniowania i ma większą tolerancję na wyrównanie ze światłowodem i może być używany do zdalnego sprzężenia. Jest szczególnie odpowiedni do zastosowań, w których cela przepływowa musi być odizolowana od źródła światła i sprzętu elektronicznego, takich jak monitorowanie wysokotemperaturowych procesów chemicznych lub wysokolotna chromatografia rozpuszczalnikowa. W praktycznych zastosowaniach wąskokątna soczewka sferyczna może ograniczyć komponenty instrumentu do minimum, podczas gdy płaskie okno może poprawić elastyczność projektowania.
Zoptymalizuj prąd napędowy, aby projektant mógł zrównoważyć moc świetlną i wymagania dotyczące żywotności aplikacji. Napędzanie diody LED poniżej prądu znamionowego producenta zmniejszy moc świetlną, ale także zwiększy żywotność źródła światła. W aplikacjach, które wymagają dużej mocy wyjściowej LED, niektórzy użytkownicy końcowi decydują się na uruchamianie diod LED przy wyższych prądach niż specyfikacje arkuszy danych. Zwiększenie prądu napędowego w ten sposób może zwiększyć moc świetlną, ale niesie ze sobą również pewne zagrożenia dla wydajności.
Przegrzanie jest częstym problemem, który negatywnie wpłynie na moc świetlną i żywotność diody LED. Ze względu na natychmiastową możliwość przełączania diody LED, ludzie mogą szybko włączać i wyłączać diodę LED okresowo. Zastosowania w fluorescencji zazwyczaj wymagają wyższej mocy świetlnej, a tryb impulsowy (cykl pracy) jest zwykle stosowany w celu bezpieczniejszego zwiększenia prądu LED. Cykl pracy odnosi się do procentu okresu, w którym dioda LED jest włączona; okres ten jest całkowitym czasem wymaganym do zakończenia cyklu przełączania. Na przykład dioda LED pracująca w cyklu pracy 50% włącza się dokładnie przez połowę czasu i połowę czasu. Rysunek 2 pokazuje znormalizowaną moc świetlną przy różnych prądach napędowych i cyklach pracy.
Rysunek 2 Tutaj widzimy wpływ zmiennego cyklu pracy na znormalizowaną moc świetlną, podczas gdy czas wręczenia pozostaje stały na poziomie 500μs. Znormalizowana moc to względna optyczna moc wyjściowa, w porównaniu z wyjściem optycznym maksymalnego znamionowego prądu roboczego 100 mA, przy użyciu odpowiedniego radiatora.
Obsługa diody LED pod wysokim prądem wpłynie na temperaturę złącza LED, co wpłynie na temperaturę złącza LED i wpłynie na żywotność i moc świetlną. Optymalizacja cyklu pracy może zminimalizować wpływ zwiększonego prądu napędowego na temperaturę złącza, utrzymując w ten sposób wydajność diod LED. Rysunek 3 ilustruje wpływ wpływu cyklu pracy na utrzymanie temperatury złącza diody LED. Pracując z 5% cyklem pracy, można osiągnąć ponad trzykrotnie większą moc świetlną (jak pokazano na rysunku 2), przy minimalnym wpływie na temperaturę złącza.
Rysunek 3 Ten wykres pokazuje wpływ zmiennego cyklu pracy na temperaturę złącza, podczas gdy czas wdechu pozostaje stały na poziomie 500μs.
Przegrzanie będzie miało negatywny wpływ na moc świetlną i żywotność diody LED. Na dłuższą metę to ciepło zmniejszy żywotność diody LED. Podczas projektowania z diodami LED UVC zarządzanie termiczne jest bardzo ważne, ponieważ proporcja energii przekształcanej w ciepło jest większa niż w przypadku diod LED o długiej długości fali. Właściwe zarządzanie termiczne może utrzymać temperaturę złącza na najniższym poziomie wymaganym dla danego zastosowania i utrzymać wydajność diody LED. Oprócz pasywnych i aktywnych metod chłodzenia, wybrana płytka drukowana może również przynieść lepsze rozpraszanie ciepła.
Rysunek 4 Ten wykres pokazuje temperaturę podkładki termicznej (a) FR4 i aluminiowej płytki drukowanej bez radiatora w porównaniu z temperaturą podkładki termicznej (b) aluminiowej płytki drukowanej z radiatorem i bez.
FR4 jest jednym z najczęściej stosowanych materiałów PCB ze względu na stosunkowo niski koszt, ale ma również niską przewodność cieplną. W systemie o większym obciążeniu termicznym w systemie lepszym wyborem jest płytka pcB z rdzeniem metalowym o lepszej przewodności cieplnej. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na rozpraszanie ciepła projektanci zwykle zwracają się ku zwiększeniu powierzchni PCB i dodaniu radiatorów, aby osiągnąć doskonałe zarządzanie ciepłem. Jeśli wymagane jest dalsze rozpraszanie ciepła, projektanci mogą zastosować bardziej aktywne techniki chłodzenia. Wraz z poprawą wydajności diod LED UVC projektanci wykorzystują elastyczność projektowania instrumentów spektroskopowych i reaktorów dezynfekujących. Zalety diod LED w tych zastosowaniach pozwalają na bardziej kompaktowe, wydajne i często bardziej opłacalne konstrukcje. Wraz z ciągłym rozwojem tej technologii, inteligentni projektanci znajdą więcej sposobów na wykorzystanie zalet UVC LED, aby sprostać wyzwaniom tych rynków.
