説明
UVC LEDの性能の向上に伴い、この比較的新しい技術の採用は、ライフサイエンスおよび環境モニタリング機器で勢いを増しています。 すべての新しいテクノロジーと同様に、設計者は、& quot;プラグイン& quot;を想定するのではなく、既存のソリューションに関連するいくつかの基本的な違いを認識している必要があります。 交換。 これにより、設計者はUVCLEDのすべての利点を実感できます。 慎重に検討した結果、UVC LEDはフットプリントと消費電力を削減し、エンドユーザーの所有コストを増加させることができます。
機器のUVCLED
分光法に対するUVCLEDの関心は、小型化、コスト削減、およびリアルタイム測定に関する市場動向に対応できるため、高まっています。 重水素やキセノンのフラッシュランプとは異なり、LEDが発するスペクトルは非常に狭く、デバイスのすべての光出力を測定に使用できます。 ユーザーは、アプリケーションの要件に応じて、対象となる特定のピーク波長を選択できます。 特定のアプリケーションでは、標準化された測定方法が開発されており、水銀ランプの輝線は254nmです。 たとえば、EPA規格に従って測定された水と空気の品質では、LEDが254nmのピーク波長に厳密に一致する必要があります。 表1は、ライフサイエンス研究、医薬品製造、環境モニタリングにおけるいくつかの重要な有機化合物を示しています。これらは分光法で特定できます。
表1吸収波長がピークの一般的な有機化合物
光源を選択するためのもう1つの主要な標準機器は、ピーク波長の光出力です。 LEDは他のUVランプとは異なり、単一のピークを持っているため、光出力は特定の波長に集中します。 吸収分光法のアプリケーションでは、通常、1mW以下の低レベルの光出力が必要です。 ただし、フローセルが光源から分離されている場合、信号がバッテリーに到達する前に光が大幅に減衰するため、より高い出力が必要になります。 これにより、LEDに必要な光出力を1mW以上に増やすことができます。 蛍光分光法では、信号強度は光強度に正比例します。 励起パワーは、検出する必要のある微量濃度レベルに依存するため、これらのアプリケーションでは、単一のLEDに必要な光出力が2mWを超える場合があります。 図1は、機器内の一般的なUV光源間の放射照度の比較を示しています。 LEDの入力電力ははるかに小さいですが、必要なUVC波長放射照度は他の光源よりも高いため、特定の測定に効果的な光源になります。
図1このチャートは、UVC LED、キセノンフラッシュランプ、重水素ランプの放射照度を比較しています。
波長と光出力を選択した後、もう1つの重要なパラメータは視野角です。これは、機器の光学システムに影響を与えるためです。 大まかに言えば、狭角または広角の2つのオプションがあります。 前者は球面レンズで実現され、後者はフラットウィンドウを備えています。 視野角が狭いため、狭い範囲で高輝度の光を得ることができます。 このタイプのパッケージは通常、光を機器に直接集束させるときに使用されます。
プレーンウィンドウパッケージは、放射パターンが広く、光ファイバーとの位置合わせの許容誤差が大きく、リモート結合に使用できます。 これは、高温化学プロセスや高揮発性溶媒クロマトグラフィーの監視など、フローセルを光源や電子機器から分離する必要があるアプリケーションに特に適しています。 実際のアプリケーションでは、狭角球面レンズは機器内のコンポーネントを最小限に抑えることができ、フラットウィンドウは設計の柔軟性を向上させることができます。
設計者が光出力とアプリケーション寿命の要件のバランスをとれるように、駆動電流を最適化します。 LEDをメーカー&＃39;の定格電流以下に駆動すると、光出力が低下しますが、光源の寿命も長くなります。 高いLED出力電力を必要とするアプリケーションでは、一部のエンドユーザーはデータシートの仕様よりも高い電流でLEDを実行することを選択します。 この方法で駆動電流を増やすと、光出力を増やすことができますが、特定のパフォーマンスリスクももたらします。
過熱は、LEDの光出力と寿命に悪影響を与える一般的な問題です。 LEDの瞬時切り替え機能により、人々はLEDを定期的にすばやくオン/オフすることができます。 蛍光のアプリケーションは一般により高い光出力を必要とし、パルスモード（デューティサイクル）操作は通常LED電流をより安全に増加させるために使用されます。 デューティサイクルとは、LEDがオンになっている期間のパーセンテージを指します。 期間は、スイッチングサイクルを完了するために必要な合計時間です。 たとえば、50％のデューティサイクルで動作するLEDは、ちょうど半分の時間と半分の時間で点灯します。 図2は、さまざまな駆動電流とデューティサイクルでの標準化された光出力を示しています。
図2ここでは、オンタイムが500μsで一定のままである一方で、正規化された光出力に対するデューティサイクルの変化の影響を確認できます。 標準化された電力は、適切なヒートシンクを使用した、最大定格動作電流100mAの光出力と比較した相対的な光出力電力です。
大電流でLEDを動作させると、LED接合部の温度に影響を与え、LED接合部の温度に影響を与え、寿命と光出力に影響を与えます。 デューティサイクルを最適化すると、駆動電流の増加が接合部温度に与える影響を最小限に抑えることができるため、LEDの性能を維持できます。 図3は、LEDの接合部温度の維持に対するデューティサイクルへの影響を示しています。 5％のデューティサイクルで動作することにより、接合部温度への影響を最小限に抑えながら、3倍以上の光出力を実現できます（図2を参照）。
図3このグラフは、オン時間が500μsで一定のままである場合の接合部温度に対するデューティサイクルの変化の影響を示しています。
過熱は、LEDの光出力と寿命に悪影響を及ぼします。 長期的には、この熱はLEDの寿命を縮めます。 UVC LEDを使用して設計する場合、熱に変換されるエネルギーの割合が長波長LEDの割合よりも大きいため、熱管理は非常に重要です。 適切な熱管理により、接合部温度を特定のアプリケーションに必要な最低温度に保ち、LEDの性能を維持できます。 パッシブおよびアクティブ冷却方法に加えて、選択したPCBはより良い熱放散をもたらすこともできます。
図4このグラフは、ヒートシンク付きとヒートシンクなしのアルミニウムコアPCBのサーマルパッド温度（b）と比較した、ヒートシンクなしのFR4とアルミニウムコアPCBのサーマルパッド温度（a）を示しています。
FR4は、コストが比較的低いため、最も一般的に使用されているPCB材料の1つですが、熱伝導率も低くなっています。 システム内の熱負荷が高いシステムでは、熱伝導率の高いメタルコアPCBの方が適しています。 熱放散の需要が高まるにつれて、設計者は通常、優れた熱管理を実現するためにPCB面積を増やし、ヒートシンクを追加することに目を向けます。 さらに熱放散が必要な場合、設計者はよりアクティブな冷却技術を使用できます。 UVC LEDの性能が向上するにつれて、設計者は分光装置と消毒リアクターの設計の柔軟性を利用しています。 これらのアプリケーションにおけるLEDの利点により、よりコンパクトで効率的で、多くの場合、より費用効果の高い設計が可能になります。 この技術の継続的な開発により、賢い設計者は、これらの市場の課題に対応するためにUVCLEDの利点を使用するより多くの方法を見つけるでしょう。
