Beschrijven
Met de verbetering van de UVC LED-prestaties wint de adoptie van deze relatief nieuwe technologie aan kracht in life science- en milieumonitoringinstrumenten. Zoals bij alle opkomende technologieën, moeten ontwerpers zich bewust zijn van enkele fundamentele verschillen met betrekking tot bestaande oplossingen, in plaats van "plug-in" vervangingen aan te nemen. Dit stelt ontwerpers in staat om de volledige voordelen van UVC LED's te realiseren. Na zorgvuldige overweging kunnen UVC-LED's de voetafdruk en het stroomverbruik verminderen, waardoor de eigendomskosten voor de eindgebruiker toenemen.
UVC LED in het instrument
De interesse van UVC LED's voor spectroscopie neemt toe omdat ze markttrends rond miniaturisatie, kostenreductie en realtime meting kunnen aanpakken. In tegenstelling tot deuterium- of xenonflitslampen is het spectrum dat door de LED wordt uitgezonden erg smal en kan alle lichtopbrengst van het apparaat worden gebruikt voor metingen. De gebruiker kan de specifieke piekgolflengte van belang selecteren op basis van de toepassingsvereisten. In bepaalde toepassingen is een gestandaardiseerde meetmethode ontwikkeld en de emissielijn van de kwiklamp is 254nm. Water- en luchtkwaliteit gemeten volgens EPA-normen vereisen bijvoorbeeld dat LED's nauw overeenkomen met de piekgolflengte van 254 nm. Tabel 1 toont enkele belangrijke organische verbindingen in life science onderzoek, drugsproductie en milieumonitoring, die kunnen worden geïdentificeerd door spectroscopie.
Tabel 1 Gemeenschappelijke organische verbindingen met piekabsorptiegolflengte
Een ander belangrijk standaardinstrument voor de selectie van de lichtbron is de lichtopbrengst van de piekgolflengte. Omdat de LED een enkele piek heeft, in tegenstelling tot andere UV-lampen, wordt de lichtopbrengst geconcentreerd op een specifieke golflengte. Absorptiespectroscopietoepassingen vereisen meestal een lage lichtopbrengst van 1 mW of minder. In het geval dat de stroomcel echter van de lichtbron is geïsoleerd, is een hogere output vereist vanwege de aanzienlijke lichtdemping voordat het signaal de batterij bereikt. Dit kan de door de LED benodigde lichtopbrengst verhogen tot meer dan 1 mW. Bij fluorescentiespectroscopie is de signaalintensiteit direct evenredig met de lichtintensiteit. Het excitatievermogen is afhankelijk van het traceerconcentratieniveau dat moet worden gedetecteerd, dus in deze toepassingen kan de lichtopbrengst die een enkele LED vereist, groter zijn dan 2 mW. Figuur 1 toont de bestralingsvergelijking tussen gemeenschappelijke UV-lichtbronnen in het instrument. Hoewel het ingangsvermogen van de LED veel kleiner is, is de vereiste UVC-golflengtebestraling hoger dan andere lichtbronnen, waardoor het een effectievere lichtbron is voor specifieke metingen.
Figuur 1 Deze grafiek vergelijkt de bestraling van UVC LED, xenon flitslamp en deuteriumlamp.
Na het selecteren van de golflengte en lichtopbrengst is een andere belangrijke parameter de kijkhoek, omdat deze van invloed is op het optische systeem van het instrument. In grote lijnen zijn er twee opties-smalle hoek of groothoek. De eerste wordt bereikt met een bolvormige lens en de laatste heeft een plat raam. De smalle kijkhoek maakt het mogelijk om licht met hoge intensiteit te verkrijgen in een klein gebied. Dit type pakket wordt meestal gebruikt bij het scherpstellen van licht rechtstreeks in het instrument.
Het vliegtuigvensterpakket heeft een breder stralingspatroon en heeft een grotere tolerantie voor uitlijning met de optische vezel en kan worden gebruikt voor koppeling op afstand. Het is met name geschikt voor toepassingen waarbij de stroomcel moet worden geïsoleerd van de lichtbron en elektronische apparatuur, zoals het monitoren van chemische processen bij hoge temperaturen of hoge vluchtige oplosmiddelchromatografie. In praktische toepassingen kan de smalhoeksferische lens de componenten in het instrument tot een minimum beperken, terwijl het platte venster de ontwerpflexibiliteit kan verbeteren.
Optimaliseer de schijfstroom, zodat de ontwerper de lichtopbrengst en levensduurvereisten van de toepassing in evenwicht kan brengen. Het aandrijven van de LED onder de nominale stroom van de fabrikant vermindert de lichtopbrengst, maar verlengt ook de levensduur van de lichtbron. In toepassingen die een hoog LED-uitgangsvermogen vereisen, kiezen sommige eindgebruikers ervoor om LED's op hogere stromen uit te voeren dan de specificaties van het gegevensblad. Het op deze manier verhogen van de aandrijfstroom kan de lichtopbrengst verhogen, maar brengt ook bepaalde prestatierisico's met zich mee.
Oververhitting is een veel voorkomend probleem dat de lichtopbrengst en levensduur van de LED negatief beïnvloedt. Door de onmiddellijke schakelmogelijkheden van de LED kunnen mensen de LED snel periodiek in- en uitschakelen. Toepassingen in fluorescentie vereisen over het algemeen een hogere lichtopbrengst en de werking van de pulsmodus (duty cycle) wordt meestal gebruikt om de LED-stroom veiliger te verhogen. Duty cycle verwijst naar het percentage van een periode dat de LED is ingeschakeld; de periode is de totale tijd die nodig is om een schakelcyclus te voltooien. Een LED die bijvoorbeeld werkt bij een duty cycle van 50% gaat precies de helft van de tijd en de helft van de tijd aan. Figuur 2 toont de gestandaardiseerde lichtopbrengst bij verschillende aandrijfstromen en bedrijfscycli.
Figuur 2 Hier zien we het effect van een variërende duty cycle op de genormaliseerde lichtopbrengst, terwijl de on-time constant blijft op 500μs. Het gestandaardiseerde vermogen is het relatieve optische uitgangsvermogen, vergeleken met de optische output van de maximaal nominale bedrijfsstroom van 100 mA, met behulp van een geschikt koellichaam.
Het gebruik van de LED onder hoge stroom heeft invloed op de LED-aansluittemperatuur, die de LED-aansluittemperatuur beïnvloedt en de levensduur en lichtopbrengst beïnvloedt. Het optimaliseren van de duty cycle kan de impact van verhoogde aandrijfstroom op de aansluittemperatuur minimaliseren, waardoor ledprestaties behouden blijven. Figuur 3 illustreert het effect van het beïnvloeden van de bedrijfscyclus op het handhaven van de aansluittemperatuur van de LED. Door te werken met een duty cycle van 5% kan meer dan drie keer de lichtopbrengst worden bereikt (zoals weergegeven in figuur 2), met minimale impact op de aansluittemperatuur.
Figuur 3 Deze grafiek toont het effect van een variërende bedrijfscyclus op de aansluittemperatuur, terwijl de on-time constant blijft op 500μs.
Oververhitting heeft een negatieve invloed op de lichtopbrengst en levensduur van de LED. Op de lange termijn zal deze warmte de levensduur van de LED verkorten. Bij het ontwerpen met UVC-LED's is thermisch beheer erg belangrijk omdat het aandeel energie dat in warmte wordt omgezet groter is dan dat van LED's met lange golflengte. Een goed thermisch beheer kan de aansluittemperatuur op de laagste temperatuur houden die nodig is voor een bepaalde toepassing en de prestaties van de LED behouden. Naast passieve en actieve koelmethoden kan de geselecteerde PCB ook een betere warmteafvoer brengen.
Figuur 4 Deze grafiek toont de thermische padtemperatuur (a) van FR4 en aluminium kern PCB zonder koellichaam in vergelijking met de thermische padtemperatuur (b) van aluminium kern PCB met en zonder koellichaam.
FR4 is een van de meest gebruikte PCB-materialen vanwege de relatief lage kosten, maar het heeft ook een lage thermische geleidbaarheid. In een systeem met een hogere thermische belasting in het systeem is een metalen kern PCB met een betere thermische geleidbaarheid een betere keuze. Naarmate de vraag naar warmteafvoer toeneemt, wenden ontwerpers zich meestal tot het vergroten van het PCB-gebied en het toevoegen van koellichaamken om een uitstekend thermisch beheer te bereiken. Als verdere warmteafvoer nodig is, kunnen ontwerpers actievere koeltechnieken gebruiken. Naarmate de prestaties van UVC-LED's verbeteren, profiteren ontwerpers van de ontwerpflexibiliteit van spectroscopische instrumenten en desinfectiereactoren. De voordelen van LED's in deze toepassingen zorgen voor compactere, efficiëntere en vaak kosteneffectievere ontwerpen. Met de voortdurende ontwikkeling van deze technologie zullen slimme ontwerpers meer manieren vinden om de voordelen van UVC LED te gebruiken om de uitdagingen van deze markten aan te gaan.
