Beskrive
Med forbedringen af UVC LED-resultaterne tager vedtagelsen af denne relativt nye teknologi fart inden for biovidenskab og miljøovervågningsinstrumenter. Som med alle nye teknologier skal designere være opmærksomme på nogle grundlæggende forskelle relateret til eksisterende løsninger i stedet for at antage "plug-in" udskiftninger. Dette gør det muligt for designere at realisere de fulde fordele ved UVC LED'er. Efter nøje overvejelse kan UVC-LED'er reducere fodaftryk og strømforbrug og øge ejeromkostningerne for slutbrugeren.
UVC LED i instrumentet
UVC-led'ernes interesse for spektroskopi er stigende, fordi de kan adressere markedstendenser omkring miniaturisering, omkostningsreduktion og måling i realtid. I modsætning til deuterium- eller xenon-flashlamper er spektret, der udsendes af LED'en, meget smalt, og al enhedens lysudgang kan bruges til måling. Brugeren kan vælge den specifikke spidsbølgelængde af interesse i henhold til applikationskravene. I visse applikationer er der udviklet en standardiseret målemetode, og kviksølvlampens emissionslinje er 254nm. For eksempel kræver vand- og luftkvalitet målt i henhold til EPA-standarder lysdioder for nøje at matche den maksimale bølgelængde på 254 nm. Tabel 1 viser nogle vigtige organiske forbindelser inden for life science-forskning, lægemiddelproduktion og miljøovervågning, som kan identificeres ved spektroskopi.
Tabel 1 Almindelige organiske forbindelser med bølgelængde med maksimal absorption
Et andet vigtigt standardinstrument til valg af lyskilde er lyseffekten af topbølgelængden. Da LED'en har en enkelt top, er lysudgangen i modsætning til andre UV-lamper koncentreret ved en bestemt bølgelængde. Absorptionsspektroskopiapplikationer kræver normalt lave niveauer af lyseffekt-1 mW eller mindre. I tilfælde, hvor flowcellen er isoleret fra lyskilden, kræves der imidlertid en højere effekt på grund af den betydelige lysdæmpning, før signalet når batteriet. Dette kan øge den lyseffekt, der kræves af LED'en, til mere end 1 mW. Ved fluorescensspektroskopi er signalintensiteten direkte proportional med lysintensiteten. Excitationseffekten afhænger af det sporkoncentrationsniveau, der skal detekteres, så i disse applikationer kan den lyseffekt, der kræves af en enkelt LED, være større end 2 mW. Figur 1 viser bestrålingssammenligningen mellem almindelige UV-lyskilder i instrumentet. Selv om LED'ens indgangseffekt er meget mindre, er den krævede UVC-bølgelængdebestråling højere end andre lyskilder, hvilket gør den til en mere effektiv lyskilde til specifikke målinger.
Figur 1 Dette diagram sammenligner bestrålingen af UVC LED, xenon flash lampe og deuterium lampe.
Når du har valgt bølgelængde og lysudgang, er en anden vigtig parameter betragtningsvinklen, fordi det vil påvirke instrumentets optiske system. Groft sagt er der to muligheder-smalle vinkel eller vidvinkel. Førstnævnte opnås med en sfærisk linse, og sidstnævnte har et fladt vindue. Den smalle betragtningsvinkel gør det muligt at opnå højintensivt lys i et lille område. Denne type pakke bruges normalt, når der fokuseres lys direkte ind i instrumentet.
Planvinduespakken har et bredere strålingsmønster og har en større tolerance for tilpasning til den optiske fiber og kan bruges til fjernkobling. Den er især velegnet til anvendelser, hvor flowcellen skal isoleres fra lyskilden og det elektroniske udstyr, f.eks. I praktiske anvendelser kan den smalvinklede sfæriske linse holde komponenterne i instrumentet på et minimum, mens det flade vindue kan forbedre designfleksibiliteten.
Optimer drevstrømmen, så designeren kan afbalancere kravene til lysudgang og anvendelseslevetid. Kørsel af LED'en under producentens nominelle strøm vil reducere lysudgangen, men vil også øge lyskildens levetid. I programmer, der kræver høj LED-udgangseffekt, vælger nogle slutbrugere at køre LED'er ved højere strømme end dataarkspecifikationer. Forøgelse af drevstrømmen på denne måde kan øge lysudgangen, men det medfører også visse ydelsesrisici.
Overophedning er et almindeligt problem, der vil påvirke LED'ens lyseffekt og levetid negativt. På grund af LED'ens øjeblikkelige koblingsevne kan folk hurtigt tænde og slukke for LED'en med jævne mellemrum. Applikationer i fluorescens kræver generelt højere lyseffekt, og pulstilstand (arbejdscyklus) drift bruges normalt til mere sikkert at øge LED-strømmen. Arbejdscyklus henviser til den procentdel af en periode, som LED'en er tændt for. perioden er den samlede tid, der kræves for at fuldføre en koblingscyklus. For eksempel vil en LED, der opererer ved en 50% maksimal cyklus, tænde nøjagtigt halvdelen af tiden og halvdelen af tiden. Figur 2 viser den standardiserede lyseffekt ved forskellige drevstrømme og arbejdscyklusser.
Figur 2 Her ser vi effekten af varierende arbejdscyklus på normaliseret lyseffekt, mens til tiden forbliver konstant på 500μs. Den standardiserede effekt er den relative optiske udgangseffekt sammenlignet med den optiske udgang af den maksimale nominelle driftsstrøm på 100 mA ved hjælp af en passende køleplade.
Betjening af LED'en under høj strøm vil påvirke LED-krydsets temperatur, hvilket vil påvirke LED-krydsets temperatur og påvirke levetiden og lysudgangen. Optimering af arbejdscyklussen kan minimere virkningen af øget drevstrøm på vejkrydstemperaturen og derved opretholde LED-ydeevnen. Figur 3 illustrerer effekten af at påvirke arbejdscyklussen på opretholdelsen af LED'ens vejkrydstemperatur. Ved at arbejde med en 5% arbejdscyklus kan der opnås mere end tre gange lyseffekten (som vist i figur 2) med minimal indvirkning på vejkrydstemperaturen.
Figur 3 Denne graf viser virkningen af varierende arbejdscyklus på vejkrydstemperaturen, mens til tiden forbliver konstant ved 500μs.
Overophedning vil have en negativ indvirkning på LED'ens lyseffekt og levetid. I det lange løb vil denne varme reducere LED'ens levetid. Ved design med UVC LED'er er termisk styring meget vigtig, fordi andelen af energi, der omdannes til varme, er større end for langbølgelængde-LED'er. Korrekt termisk styring kan holde vejkrydstemperaturen ved den laveste temperatur, der kræves til en given applikation, og opretholde LED'ens ydeevne. Ud over passive og aktive kølemetoder kan det valgte PCB også give bedre varmeafledning.
Figur 4 Denne graf viser temperaturen på varmepuden (a) i FR4 og aluminiumskernen PCB uden køleplade sammenlignet med temperaturen på den termiske pude (b) i aluminiumskernen PCB med og uden køleplade.
FR4 er et af de mest anvendte PCB-materialer på grund af dets relativt lave omkostninger, men det har også lav termisk ledningsevne. I et system med en højere termisk belastning i systemet er en metalkerne-PCB med bedre termisk ledningsevne et bedre valg. Efterhånden som efterspørgslen efter varmeafledning stiger, henvender designere sig normalt til at øge PCB-området og tilføje kølelegeme for at opnå fremragende termisk styring. Hvis yderligere varmeafledning er påkrævet, kan designere bruge mere aktive køleteknikker. Efterhånden som UVC LED'ernes ydeevne forbedres, udnytter designere designfleksibiliteten i spektroskopiske instrumenter og desinfektionsreaktorer. Fordelene ved LED'er i disse applikationer giver mulighed for mere kompakte, effektive og ofte mere omkostningseffektive design. Med den fortsatte udvikling af denne teknologi vil smarte designere finde flere måder at bruge fordelene ved UVC LED til at imødekomme udfordringerne på disse markeder.
