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短波紫外线(UVC) LED设计要注意什么?

时间:2021-02-05 作者:Hari Venugopalan,Crystal IS全球产品管理总监 阅读:
随着UVC LED(短波紫外线LED)的性能不断提升,这种新技术正从生命科学和环境监测仪器应用中获得动能。如同对于所有新兴技术一样,设计人员必须了解其与现有方案的一些基本差异,而不是理所当然地认为可以“即换即用”……
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随着UVC LED(短波紫外线LED)的性能不断提升,这种新技术正从生命科学和环境监测仪器应用中获得动能。如同对于所有新兴技术一样,设计人员必须了解其与现有方案的一些基本差异,而不是理所当然地认为可以“即换即用”。这让设计者能充份发挥UVC LED的全部优势。经过仔细地权衡,采用UVC LED的设计可以缩小产品体积、降低功耗,并为终端用户降低拥有成本。

UVC LED的仪控应用

由于UVC LED能满足市场对于小型化、降低成本和实时测量等趋势的要求,将其导入光谱应用的兴趣正持续升温。相较于氘或氙气闪光灯,LED输出较窄频谱光源,组件的光输出全部都可用于测量。使用者可根据应用需求选择感兴趣的特定峰值波长。针对特定应用,目前已开发出254nm波长水银灯的标准化测量方法。例如,当依据EPA标准检测水和空气质量时,需要一个接近254nm峰值波长的LED光源。表1整理在生命科学研究、药品生产和环境监测等应用中,能以光谱识别的一些重要有机化合物。

表1:常见的有机化合物及其峰值吸收波长

在仪控应用中,选择光源的另一个主要标准是峰值波长的光输出。由于LED只有单一峰值,所以光输出均集中于一个特定波长,这和其它紫外线(UV)灯并不一样。吸收光谱的应用通常需要低层级的光输出——1mW或以下。然而,在流通池(flow cell)与光源隔离的情况,由于光信号在到达流通池前存在严重衰减,所以需要更高的光输出功率。这可要求LED的光输出远超1mW。

在荧光光谱域,信号强度与光的强度成正比。LED的激励功率取决于所需检测的示踪剂浓度高低,所以在这些应用中,单个LED所需的光输出可能大于2mW。图 1比较仪器中常用的UV光源辐照度。尽管LED的输入功率要小得多,但在所需UVA波长段的辐照度却高于其它光源,使其成为在特定测量中实现更高效的光源。

图1:UVC LED、氙气闪光灯和氘灯的辐照度比较

在选择波长与光输出后,另一个重要参数是视角,它影响到仪器的整个光学系统。广泛来说,它有两种选择:窄视角或宽视角。窄视角经由球透镜实现,宽视角则采用平面窗。窄视角可在小范围内获得高强度光,而其封装通常用于光直接聚焦投射于仪器的应用。

平面窗具有更广的辐射模式,当与光纤同时用于远程耦合时,具有较佳的容限。这特别适用于流通池必须与光源和电子电路隔离的应用(例如监测高温化学过程或具有 高挥发性溶剂的色谱分析)。在实际应用中:窄角球透镜可使仪器中的组件数减至最少;而宽角平面窗则使设计更具有灵活性。

最佳化驱动电流,让设计工程师可均衡光输出以及应用的使用寿命要求。以低于制造商规范评等的额定电流驱动LED,将会降低光输出,但也将延长光源的使用寿 命。在需要高LED输出功率的应用中,有些终端使用者选择以高于数据表规格的电流驱动LED。以这种方式提高驱动电流,则可增加光输出,但也会带来牺牲性 能的风险。

过热是一种常见的问题,它可能同时对LED的光输出和生命周期带来负面影响。由于LED的瞬态开关特性,可以周期性方式快速开启和关闭LED。在一般需要更高光输出的荧光应用中,经常采用工作周期(duty cycle)操作,以便更安全地提高LED电流。

工作周期定义为LED在一次周期中开启时间所占的百分比;其中,周期是指完成一次LED开-关循环所用的总时间。例如,以50%工作周期作业的LED,其开启和关闭时间恰好各占一半。图2显示不同驱动电流与工作周期的标准化光输出。

图2:在此我们看到不同工作周期对标准化光输出的影响,同时,LED的开启时间持续在500μs。标准化功率是相对于最大额定工作电流100mA时(加装合适散热片)光输出的相对光输出功率

以大电流驱动LED会影响LED结温,进而影响其使用寿命和光输出。最佳化工作周期可让增加的驱动电流对结温的影响降至最小,从而保护LED性能。图3显示工作周期对维持LED结温可能产生的影响。以5%的工作周期操作LED,可在对结温影响最低的情况下,使光输出(图2)提高三倍。

图3:图中显示不同工作周期对结温的影响,其中LED开启时间都是500μs

过度发热对于LED光输出和使用寿命带来负面影响。长期来看,发热会缩短LED的使用寿命。采用UVC LED设计时,热管理极其重要,因为相较于更长波长的LED,驱动UVC LED能量的更大部份被转化为热量。适当的热管理能使结温低于特定应用的要求,并保持LED的性能。除了被动和主动冷却方法,所选择的PCB也可以实现更佳散热。

图4:图中比较未使用散热片的FR4和Al PCB的热垫温度(a);以及使用和不使用散热片的Al PCB的热垫温度(b)

FR4 由于其成本相对较低,是最常用的PCB材料之一,但其热导率较低。对于系统热负载高的系统来说,热导率更高的金属芯PCB是更好选择。随着散热需求增加, 设计者通常采用加大PCB面积和增加散热片的方式实现较优质的热管理。如果需要更强的散热,设计者还可采用更积极的冷却技术。

随着UVC LED性能提高,设计人员开始将其设计灵活的优势用在光谱仪器和消毒反应器等应用中。在这些应用中选用LED,可实现更紧密、更高效,通常也更具成本效益的设计。随着UVC LED技术的不断发展,聪明的设计师将会发现更多方法来发挥UVC LED的优势以因应这些市场的挑战。

责编:Luffy Liu

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