לְתַאֵר
עם שיפור ביצועי LED UVC, האימוץ של טכנולוגיה חדשה יחסית זו תופס תאוצה במכשירי מדעי החיים ומעקבי הסביבה. כמו כל הטכנולוגיות המתעוררות, על המעצבים להיות מודעים לכמה הבדלים מהותיים הקשורים לפתרונות קיימים, במקום להניח" plug-in" מחליפים. זה מאפשר למעצבים לממש את היתרונות המלאים של נוריות UVC. לאחר בחינה מדוקדקת, נוריות UVC יכולות לצמצם את טביעת הרגל ואת צריכת החשמל ולהגדיל את עלות הבעלות עבור משתמש הקצה.
LED UVC במכשיר
העניין של נוריות UVC לספקטרוסקופיה גדל מכיוון שהן יכולות להתייחס למגמות בשוק סביב מזעור, הפחתת עלויות ומדידה בזמן אמת. שלא כמו מנורות פלאש דויטריום או קסנון, הספקטרום הנפלט של ה- LED הוא צר מאוד, וניתן להשתמש בכל תפוקת האור של המכשיר למדידה. המשתמש יכול לבחור את אורך גל השיא הספציפי של העניין בהתאם לדרישות היישום. ביישומים מסוימים פותחה שיטת מדידה סטנדרטית וקו הפליטה של מנורת הכספית הוא 254 ננומטר. לדוגמה, איכות מים ואוויר הנמדדים על פי תקני EPA מחייבים נוריות להתאים באופן הדוק לאורך השיא של 254 ננומטר. טבלה 1 מציגה כמה תרכובות אורגניות חשובות במחקר מדעי החיים, ייצור תרופות וניטור סביבתי, הניתנות לזיהוי באמצעות ספקטרוסקופיה.
טבלה 1 תרכובות אורגניות נפוצות עם אורך גל ספיגה שיא
מכשיר סטנדרטי נוסף לבחירת מקור האור הוא תפוקת האור של אורך הגל השיא. מכיוון של- LED יש שיא יחיד, בניגוד למנורות UV אחרות, תפוקת האור מרוכזת באורך גל ספציפי. יישומי ספקטרוסקופיה של קליטה דורשים בדרך כלל רמות נמוכות של תפוקת אור-1 mW או פחות. עם זאת, במקרה בו תא הזרימה מבודד ממקור האור, נדרשת תפוקה גבוהה יותר בשל היחלשות האור המשמעותית לפני שהאות מגיע לסוללה. זה יכול להגדיל את תפוקת האור הנדרשת על ידי הנורית ליותר מ 1 mW. בספקטרוסקופיית הקרינה, עוצמת האות היא ביחס ישר לעוצמת האור. עוצמת העירור תלויה ברמת ריכוז העקבות שצריך לזהות, ולכן ביישומים אלה, תפוקת האור הנדרשת על ידי נורית אחת עשויה להיות גדולה מ -2 mW. איור 1 מציג את השוואת הקרינה בין מקורות אור UV נפוצים במכשיר. למרות שכוח הכניסה של ה- LED קטן בהרבה, קרינת אורך הגל הנדרשת של UVC גבוהה יותר ממקורות אור אחרים, מה שהופך אותו למקור אור יעיל יותר למדידות ספציפיות.
איור 1 תרשים זה משווה את הקרינה של LED UVC, מנורת פלאש קסנון ומנורת דוטריום.
לאחר בחירת אורך הגל ותפוקת האור, פרמטר חשוב נוסף הוא זווית הצפייה, מכיוון שהיא תשפיע על המערכת האופטית של המכשיר. בגדול, ישנן שתי אפשרויות-זווית צרה או זווית רחבה. הראשון מושג בעזרת עדשה כדורית, ולשני יש חלון שטוח. זווית הצפייה הצרה מאפשרת לקבל אור בעוצמה גבוהה בשטח קטן. סוג חבילה זה משמש בדרך כלל כאשר ממקדים אור ישירות לתוך המכשיר.
לאריזה של חלון המטוס יש דפוס קרינה רחב יותר, ויש לו סובלנות גדולה יותר ליישור עם הסיב האופטי, וניתן להשתמש בו לצימוד מרחוק. הוא מתאים במיוחד ליישומים בהם יש לבודד את תא הזרימה ממקור האור והציוד האלקטרוני, כגון ניטור תהליכים כימיים בטמפרטורה גבוהה או כרומטוגרפיה ממסה נדיפה. ביישומים פרקטיים, העדשה הכדורית הזווית צרה יכולה לשמור על הרכיבים המינימליים למינימום, בעוד שהחלון השטוח יכול לשפר את גמישות העיצוב.
ייעל את זרם הכונן, כך שהמעצב יוכל לאזן את תפוקת האור ודרישות חיי היישום. הנעה של ה- LED מתחת לזרם המדורג של היצרן&תפחית את תפוקת האור, אך תגדיל גם את חיי מקור האור. ביישומים הדורשים עוצמת פלט LED גבוהה, משתמשי קצה מסוימים בוחרים להפעיל נוריות LED בזרמים גבוהים יותר ממפרטי גליון הנתונים. הגדלת זרם הכונן בדרך זו יכולה להגדיל את תפוקת האור, אך היא גם מביאה סיכונים מסוימים לביצועים.
התחממות יתר היא בעיה נפוצה שתשפיע לרעה על תפוקת האור וחיי הנורית. בשל יכולת ההחלפה המיידית של ה- LED, אנשים יכולים להדליק ולכבות במהירות את ה- LED מדי פעם. יישומים בקרינה בדרך כלל דורשים תפוקת אור גבוהה יותר, ובדרך כלל משתמשים בפעולת מצב דופק (מחזור עבודה) כדי להגדיל בבטחה את זרם ה- LED. מחזור ההפעלה מתייחס לאחוז פרק הזמן בו נדלקת הנורית; התקופה היא הזמן הכולל הנדרש להשלמת מחזור מיתוג. לדוגמה, LED הפועל במחזור עבודה של 50% יופעל בדיוק במחצית הזמן וחצי מהזמן. איור 2 מציג את תפוקת האור הסטנדרטית בזרמי הנעה שונים ומחזורי עבודה.
איור 2 כאן, אנו רואים את ההשפעה של מחזור עבודה משתנה על תפוקת אור מנורמל, בעוד שהזמן נשאר קבוע ב -500 מיקרומטר. ההספק הסטנדרטי הוא הספק היחסי האופטי היחסי, בהשוואה לפלט האופטי של זרם ההפעלה המקסימלי של 100 mA, באמצעות גוף קירור מתאים.
הפעלת ה- LED תחת זרם גבוה תשפיע על טמפרטורת צומת ה- LED, אשר תשפיע על טמפרטורת צומת ה- LED ותשפיע על חיי ותפוקת האור. ייעול מחזור העבודה יכול למזער את ההשפעה של זרם הכונן המוגבר על טמפרטורת הצומת, ובכך לשמור על ביצועי LED. איור 3 ממחיש את השפעת ההשפעה על מחזור העבודה על שמירה על טמפרטורת הצומת של הנורית. על ידי עבודה עם מחזור עבודה של 5%, ניתן להשיג יותר משלוש פעמים את תפוקת האור (כפי שמוצג באיור 2), עם השפעה מינימלית על טמפרטורת הצומת.
איור 3 גרף זה מציג את ההשפעה של מחזור עבודה משתנה על טמפרטורת הצומת בעוד שהזמן נשאר קבוע ב- 500μs.
להתחממות יתר תהיה השפעה שלילית על תפוקת האור וחיי ה- LED. בטווח הארוך, חום זה יקטין את תוחלת החיים של ה- LED. בעת עיצוב עם נוריות UVC, ניהול תרמי הוא מאוד חשוב כי שיעור האנרגיה המומר לחום גדול מזה של נוריות אורך גל ארוך. ניהול תרמי נכון יכול לשמור על טמפרטורת הצומת בטמפרטורה הנמוכה ביותר הנדרשת ליישום נתון ולשמור על ביצועי הנורית. בנוסף לשיטות הקירור הפסיביות והאקטיביות, ה- PCB שנבחר יכול להביא גם פיזור חום טוב יותר.
איור 4 גרף זה מציג את טמפרטורת המשטח התרמי (א) של ה- PCB FR4 וליבת האלומיניום ללא גוף קירור בהשוואה לטמפרטורת הכרית התרמית (ב) של PCB ליבת האלומיניום עם ובלי גוף קירור.
FR4 הוא אחד מחומרי ה- PCB הנפוצים ביותר בשל עלותו הנמוכה יחסית, אך יש לו גם מוליכות תרמית נמוכה. במערכת עם עומס תרמי גבוה יותר במערכת, PCB ליבת מתכת עם מוליכות תרמית טובה יותר היא בחירה טובה יותר. ככל שהביקוש לפיזור חום גדל, מעצבים בדרך כלל פונים להגדלת שטח PCB ולהוספת כיורי חום כדי להשיג ניהול תרמי מעולה. אם נדרשת פיזור חום נוסף, מעצבים יכולים להשתמש בטכניקות קירור אקטיביות יותר. ככל שהביצועים של נוריות UVC משתפרים, מעצבים מנצלים את הגמישות העיצובית של מכשירים ספקטרוסקופיים וכורי חיטוי. היתרונות של נוריות LED ביישומים אלה מאפשרים עיצובים קומפקטיים יותר, יעילים ולרוב גם חסכוניים יותר. עם הפיתוח המתמשך של טכנולוגיה זו, מעצבים חכמים ימצאו דרכים נוספות להשתמש ביתרונות של UVC LED כדי להתמודד עם האתגרים של שווקים אלה.
