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Con la mejora del rendimiento de los LED UVC, la adopción de esta tecnología relativamente nueva está ganando impulso en los instrumentos de monitoreo ambiental y de ciencias de la vida. Como ocurre con todas las tecnologías emergentes, los diseñadores deben ser conscientes de algunas diferencias fundamentales relacionadas con las soluciones existentes, en lugar de asumir" plug-in" reemplazos. Esto permite a los diseñadores darse cuenta de todas las ventajas de los LED UVC. Después de una cuidadosa consideración, los LED UVC pueden reducir la huella y el consumo de energía, lo que aumenta el costo de propiedad para el usuario final.
LED UVC en el instrumento
El interés de los LED UVC para la espectroscopia está aumentando porque pueden abordar las tendencias del mercado en torno a la miniaturización, la reducción de costos y la medición en tiempo real. A diferencia de las lámparas de flash de deuterio o xenón, el espectro emitido por el LED es muy estrecho y toda la salida de luz del dispositivo se puede utilizar para la medición. El usuario puede seleccionar la longitud de onda máxima específica de interés de acuerdo con los requisitos de la aplicación. En determinadas aplicaciones, se ha desarrollado un método de medición estandarizado y la línea de emisión de la lámpara de mercurio es de 254 nm. Por ejemplo, la calidad del agua y el aire medida de acuerdo con los estándares de la EPA requiere que los LED coincidan estrechamente con la longitud de onda máxima de 254 nm. La Tabla 1 muestra algunos compuestos orgánicos importantes en la investigación de las ciencias de la vida, la producción de fármacos y el control ambiental, que pueden identificarse mediante espectroscopia.
Tabla 1 Compuestos orgánicos comunes con longitud de onda máxima de absorción
Otro instrumento estándar principal para la selección de la fuente de luz es la salida de luz de la longitud de onda máxima. Debido a que el LED tiene un solo pico, a diferencia de otras lámparas UV, la salida de luz se concentra en una longitud de onda específica. Las aplicaciones de espectroscopia de absorción generalmente requieren bajos niveles de salida de luz: 1 mW o menos. Sin embargo, en el caso de que la celda de flujo esté aislada de la fuente de luz, se requiere una salida más alta debido a la atenuación de luz significativa antes de que la señal llegue a la batería. Esto puede aumentar la salida de luz requerida por el LED a más de 1 mW. En la espectroscopia de fluorescencia, la intensidad de la señal es directamente proporcional a la intensidad de la luz. La potencia de excitación depende del nivel de concentración de trazas que se debe detectar, por lo que en estas aplicaciones, la salida de luz requerida por un solo LED puede ser superior a 2 mW. La Figura 1 muestra la comparación de irradiancia entre fuentes de luz UV comunes en el instrumento. Aunque la potencia de entrada del LED es mucho menor, la irradiancia de longitud de onda UVC requerida es más alta que otras fuentes de luz, lo que lo convierte en una fuente de luz más efectiva para mediciones específicas.
Figura 1 Este gráfico compara la irradiancia del LED UVC, la lámpara de flash de xenón y la lámpara de deuterio.
Después de seleccionar la longitud de onda y la salida de luz, otro parámetro importante es el ángulo de visión, ya que afectará al sistema óptico del instrumento. En términos generales, hay dos opciones: ángulo estrecho o gran angular. El primero se logra con una lente esférica y el segundo tiene una ventana plana. El ángulo de visión estrecho permite obtener luz de alta intensidad en un área pequeña. Este tipo de paquete se usa generalmente cuando se enfoca la luz directamente en el instrumento.
El paquete de ventana plana tiene un patrón de radiación más amplio y tiene una mayor tolerancia para la alineación con la fibra óptica y se puede utilizar para el acoplamiento remoto. Es particularmente adecuado para aplicaciones en las que la celda de flujo debe aislarse de la fuente de luz y los equipos electrónicos, como el monitoreo de procesos químicos de alta temperatura o cromatografía de solventes altamente volátiles. En aplicaciones prácticas, la lente esférica de ángulo estrecho puede mantener los componentes del instrumento al mínimo, mientras que la ventana plana puede mejorar la flexibilidad del diseño.
Optimice la corriente de accionamiento, de modo que el diseñador pueda equilibrar la salida de luz y los requisitos de vida útil de la aplicación. Conducir el LED por debajo de la corriente nominal del fabricante&reducirá la salida de luz, pero también aumentará la vida útil de la fuente de luz. En aplicaciones que requieren alta potencia de salida de LED, algunos usuarios finales optan por ejecutar LED a corrientes más altas que las especificaciones de la hoja de datos. El aumento de la corriente de accionamiento de esta manera puede aumentar la salida de luz, pero también conlleva ciertos riesgos de rendimiento.
El sobrecalentamiento es un problema común que afectará negativamente la salida de luz y la vida útil del LED. Debido a la capacidad de conmutación instantánea del LED, las personas pueden encender y apagar rápidamente el LED periódicamente. Las aplicaciones en fluorescencia generalmente requieren una salida de luz más alta, y el funcionamiento en modo de pulso (ciclo de trabajo) generalmente se usa para aumentar de manera más segura la corriente del LED. El ciclo de trabajo se refiere al porcentaje de un período de tiempo que el LED está encendido; el período es el tiempo total necesario para completar un ciclo de conmutación. Por ejemplo, un LED que funciona a un ciclo de trabajo del 50% se encenderá exactamente la mitad de las veces y la mitad de las veces. La Figura 2 muestra la salida de luz estandarizada en varias corrientes de excitación y ciclos de trabajo.
Figura 2 Aquí, vemos el efecto de variar el ciclo de trabajo en la salida de luz normalizada, mientras que el tiempo de encendido permanece constante en 500μs. La potencia estandarizada es la potencia de salida óptica relativa, en comparación con la salida óptica de la corriente de funcionamiento nominal máxima de 100 mA, utilizando un disipador de calor apropiado.
El funcionamiento del LED con alta corriente afectará la temperatura de la unión del LED, lo que afectará la temperatura de la unión del LED y afectará la vida útil y la salida de luz. La optimización del ciclo de trabajo puede minimizar el impacto del aumento de la corriente de accionamiento en la temperatura de la unión, manteniendo así el rendimiento del LED. La Figura 3 ilustra el efecto de influir en el ciclo de trabajo para mantener la temperatura de unión del LED. Al trabajar con un ciclo de trabajo del 5%, se puede lograr más de tres veces la salida de luz (como se muestra en la Figura 2), con un impacto mínimo en la temperatura de la unión.
Figura 3 Este gráfico muestra el efecto de variar el ciclo de trabajo sobre la temperatura de la unión, mientras que el tiempo de encendido permanece constante en 500 μs.
El sobrecalentamiento tendrá un impacto negativo en la salida de luz y la vida útil del LED. A la larga, este calor reducirá la vida útil del LED. Al diseñar con LED UVC, la gestión térmica es muy importante porque la proporción de energía convertida en calor es mayor que la de los LED de longitud de onda larga. La gestión térmica adecuada puede mantener la temperatura de la unión a la temperatura más baja requerida para una aplicación determinada y mantener el rendimiento del LED. Además de los métodos de enfriamiento pasivo y activo, la PCB seleccionada también puede brindar una mejor disipación de calor.
Figura 4 Este gráfico muestra la temperatura de la almohadilla térmica (a) de FR4 y PCB con núcleo de aluminio sin disipador de calor en comparación con la temperatura (b) de la almohadilla térmica de PCB con núcleo de aluminio con y sin disipador de calor.
FR4 es uno de los materiales de PCB más utilizados debido a su costo relativamente bajo, pero también tiene baja conductividad térmica. En un sistema con una carga térmica más alta en el sistema, una PCB de núcleo metálico con mejor conductividad térmica es una mejor opción. A medida que aumenta la demanda de disipación de calor, los diseñadores suelen optar por aumentar el área de PCB y agregar disipadores de calor para lograr una excelente gestión térmica. Si se requiere una mayor disipación de calor, los diseñadores pueden usar técnicas de enfriamiento más activas. A medida que mejora el rendimiento de los LED UVC, los diseñadores aprovechan la flexibilidad de diseño de los instrumentos espectroscópicos y los reactores de desinfección. Las ventajas de los LED en estas aplicaciones permiten diseños más compactos, eficientes y, a menudo, más rentables. Con el desarrollo continuo de esta tecnología, los diseñadores inteligentes encontrarán más formas de utilizar las ventajas de UVC LED para enfrentar los desafíos de estos mercados.
