Beskrive
Med forbedringen av UVC LED-ytelsen, er innføringen av denne relativt nye teknologien i ferd med å få fart i livsvitenskap og miljøovervåkingsinstrumenter. Som med alle nye teknologier, må designere være klar over noen grunnleggende forskjeller knyttet til eksisterende løsninger, i stedet for å anta "plug-in" erstatninger. Dette gjør det mulig for designere å realisere de fulle fordelene med UVC-lysdioder. Etter nøye overveielse kan UVC-lysdioder redusere fotavtrykk og strømforbruksøkning av eierkostnadene for sluttbrukeren.
UVC LED i instrumentet
Interessen for UVC-lysdioder for spektroskopi øker fordi de kan adressere markedstrender rundt miniatyrisering, kostnadsreduksjon og sanntidsmåling. I motsetning til deuterium- eller xenon-blitslamper, er spekteret som avgis av LED-lampen veldig smalt, og all lysutgangen til enheten kan brukes til måling. Brukeren kan velge den spesifikke toppbølgelengden av interesse i henhold til applikasjonskravene. I visse applikasjoner er det utviklet en standardisert målemetode, og utslippslinjen til kvikksølvlampen er 254nm. For eksempel krever vann- og luftkvalitet målt i henhold til EPA-standarder lysdioder for å samsvare nøye med toppbølgelengden på 254 nm. Tabell 1 viser noen viktige organiske forbindelser innen biovitenskapelig forskning, legemiddelproduksjon og miljøovervåking, som kan identifiseres ved spektroskopi.
Tabell 1 Vanlige organiske forbindelser med bølgelengde med toppabsorpsjon
Et annet hovedstandardinstrument for valg av lyskilde er lyseffekten til toppbølgelengden. Fordi LED-lampen har en enkelt topp, i motsetning til andre UV-lamper, er lysutgangen konsentrert ved en bestemt bølgelengde. Absorpsjon spektroskopi applikasjoner krever vanligvis lave nivåer av lys utgang-1 mW eller mindre. Men i tilfelle der strømningscellen er isolert fra lyskilden, er det nødvendig med en høyere utgang på grunn av den betydelige lysdempingen før signalet når batteriet. Dette kan øke lyseffekten som kreves av LED-lampen til mer enn 1 mW. Ved fluorescensspektroskopi er signalintensiteten direkte proporsjonal med lysintensiteten. Eksitasjonseffekten avhenger av sporkonsentrasjonsnivået som må oppdages, så i disse applikasjonene kan lyseffekten som kreves av en enkelt LED være større enn 2 mW. Figur 1 viser bestrålingssammenligningen mellom vanlige UV-lyskilder i instrumentet. Selv om inngangseffekten til LED-lampen er mye mindre, er den nødvendige UVC-bølgelengdebestrålingen høyere enn andre lyskilder, noe som gjør den til en mer effektiv lyskilde for spesifikke målinger.
Figur 1 Dette diagrammet sammenligner bestrålingen av UVC LED, xenon blitslampe og deuteriumlampe.
Etter å ha valgt bølgelengde og lyseffekt, er en annen viktig parameter synsvinkelen, fordi det vil påvirke instrumentets optiske system. Generelt sett er det to alternativer-smal vinkel eller vidvinkel. Førstnevnte oppnås med en sfærisk linse, og sistnevnte har et flatt vindu. Den smale visningsvinkelen gjør det mulig å oppnå høyintensitetslys i et lite område. Denne typen pakke brukes vanligvis når du fokuserer lys direkte inn i instrumentet.
Planvinduspakken har et bredere strålingsmønster, og har en større toleranse for justering med den optiske fiberen, og kan brukes til fjernkobling. Den er spesielt egnet for bruksområder der strømningscellen må isoleres fra lyskilden og elektronisk utstyr, for eksempel overvåking av kjemiske prosesser med høy temperatur eller høy flyktig løsningsmiddelkromatografi. I praktiske bruksområder kan den sfæriske linsen med smal vinkel holde komponentene i instrumentet på et minimum, mens det flate vinduet kan forbedre designfleksibiliteten.
Optimaliser stasjonsstrømmen, slik at designeren kan balansere kravene til lysutgang og levetid. Å kjøre LED-lampen under produsentens nominelle strøm vil redusere lyseffekten, men vil også øke levetiden til lyskilden. I programmer som krever høy LED-utgangseffekt, velger noen sluttbrukere å kjøre lysdioder med høyere strømmer enn databladspesifikasjoner. Å øke stasjonsstrømmen på denne måten kan øke lyseffekten, men det gir også visse ytelsesrisikoer.
Overoppheting er et vanlig problem som vil påvirke lyseffekten og levetiden til LED-lampen negativt. På grunn av led-lampens øyeblikkelige koblingsevne kan folk raskt slå på og av LED-lampen med jevne mellomrom. Bruksområder i fluorescens krever generelt høyere lyseffekt, og pulsmodus (driftssyklus) brukes vanligvis til å øke LED-strømmen på en sikrere måte. Driftssyklus refererer til prosentandelen av en tidsperiode som LED-lampen er slått på. Perioden er den totale tiden som kreves for å fullføre en koblingssyklus. For eksempel vil en LED som opererer med en 50% driftssyklus slås på nøyaktig halvparten av tiden og halvparten av tiden. Figur 2 viser standardisert lyseffekt ved ulike drivstrømmer og driftssykluser.
Figur 2 Her ser vi effekten av varierende driftssyklus på normalisert lyseffekt, mens tidene holder seg konstante på 500 μs. Den standardiserte effekten er den relative optiske utgangseffekten, sammenlignet med den optiske utgangen til den maksimale nominelle driftsstrømmen på 100 mA, ved hjelp av en passende kjøleribbe.
Bruk av LED-lampen under høy strøm vil påvirke LED-koblingstemperaturen, noe som vil påvirke LED-koblingstemperaturen og påvirke levetiden og lysutgangen. Optimalisering av driftssyklusen kan minimere virkningen av økt kjørestrøm på koblingstemperaturen, og dermed opprettholde LED-ytelsen. Figur 3 illustrerer effekten av å påvirke driftssyklusen for å opprettholde koblingstemperaturen til LED-lampen. Ved å arbeide med en driftssyklus på 5 % kan mer enn tre ganger lyseffekten oppnås (som vist i figur 2), med minimal innvirkning på koblingstemperaturen.
Figur 3 Denne grafen viser effekten av varierende driftssyklus på koblingstemperaturen mens tiden forblir konstant ved 500μs.
Overoppheting vil ha en negativ innvirkning på lyseffekten og levetiden til LED-lampen. På lang sikt vil denne varmen redusere levetiden til LED-lampen. Når du designer med UVC-lysdioder, er termisk styring svært viktig fordi andelen energi som omdannes til varme er større enn for lysdioder med lang bølgelengde. Riktig termisk styring kan holde koblingstemperaturen ved laveste temperatur som kreves for en gitt påføring og opprettholde ytelsen til LED-lampen. I tillegg til passive og aktive kjølemetoder kan den valgte PCB også gi bedre varmespredning.
Figur 4 Denne grafen viser temperaturen på termoputen (a) til FR4 og aluminiumskjernen PCB uten kjøleribbe sammenlignet med temperaturen på termisk pute (b) i aluminiumskjernen PCB med og uten kjøleribbe.
FR4 er et av de mest brukte PCB-materialene på grunn av sin relativt lave pris, men det har også lav termisk ledningsevne. I et system med høyere termisk belastning i systemet er en metallkjerne-PCB med bedre termisk ledningsevne et bedre valg. Etter hvert som etterspørselen etter varmespredning øker, vender designere seg vanligvis til å øke PCB-området og legge til kjøleribber for å oppnå utmerket termisk styring. Hvis ytterligere varmespredning er nødvendig, kan designere bruke mer aktive kjøleteknikker. Etter hvert som ytelsen til UVC-lysdioder forbedres, utnytter designere designfleksibiliteten til spektroskopiske instrumenter og desinfeksjonsreaktorer. Fordelene med lysdioder i disse applikasjonene gir mer kompakte, effektive og ofte mer kostnadseffektive design. Med den kontinuerlige utviklingen av denne teknologien vil smarte designere finne flere måter å bruke fordelene med UVC LED for å møte utfordringene i disse markedene.
