Disgrifio
Gyda gwella perfformiad UVC LED, mae mabwysiadu'r dechnoleg gymharol newydd hon yn ennill momentwm mewn gwyddoniaeth bywyd ac offerynnau monitro amgylcheddol. Fel gyda'r holl dechnolegau sy'n datblygu, rhaid i ddylunwyr fod yn ymwybodol o rai gwahaniaethau sylfaenol sy'n gysylltiedig ag atebion sy'n bodoli eisoes, yn hytrach na chymryd rhai newydd "ategyn". Mae hyn yn galluogi dylunwyr i wireddu manteision llawn LEDs UVC. Ar ôl ystyried yn ofalus, gall LEDs UVC leihau ôl troed a defnyddio pŵer gan gynyddu cost perchnogaeth i'r defnyddiwr terfynol.
UVC LED yn yr offeryn
Mae diddordeb LEDs UVC ar gyfer sbectrosgopïen yn cynyddu oherwydd gallant fynd i'r afael â thueddiadau'r farchnad o ran miniatureiddio, lleihau costau, a mesur amser real. Yn wahanol i lampau fflach deuteriwm neu xenon, mae'r sbectrwm a allyrrir gan y LED yn gul iawn, a gellir defnyddio holl allbwn golau'r ddyfais i'w fesur. Gall y defnyddiwr ddewis y donfedd uchaf benodol o ddiddordeb yn unol â gofynion y cais. Mewn rhai ceisiadau, mae dull mesur safonedig wedi'i ddatblygu, a llinell allyriadau'r lamp mercwri yw 254nm. Er enghraifft, mae ansawdd dŵr ac aer a fesurir yn unol â safonau EPA yn gofyn i LEDs gyfateb yn agos i'r donfedd uchaf o 254 nm. Dengys Tabl 1 rai cyfansoddion organig pwysig mewn ymchwil gwyddor bywyd, cynhyrchu cyffuriau a monitro amgylcheddol, y gellir eu hadnabod gan sbectrosgopïen.
Tabl 1 Cyfansoddion organig cyffredin gyda donfedd amsugno brig
Prif offeryn safonol arall ar gyfer dewis ffynhonnell ysgafn yw allbwn golau'r donfedd uchaf. Gan fod gan y LED un uchafbwynt, yn wahanol i lampau UV eraill, mae'r allbwn golau wedi'i ganoli ar donfedd benodol. Fel arfer, mae angen lefelau isel o allbwn golau-1 mW neu lai ar geisiadau sbectrosgopïen amsugno. Fodd bynnag, yn yr achos lle mae'r gell lif wedi'i hynysu o'r ffynhonnell olau, mae angen allbwn uwch oherwydd y gwanhau golau sylweddol cyn i'r signal gyrraedd y batri. Gall hyn gynyddu'r allbwn ysgafn sy'n ofynnol gan y LED i fwy nag 1 mW. Mewn sbectrosgopïen fflworideiddio, mae dwysedd signalau yn uniongyrchol gymesur â dwysedd golau. Mae'r pŵer cyfnewid yn dibynnu ar y lefel crynodiad olrhain y mae angen ei chanfod, felly yn y ceisiadau hyn, gall yr allbwn golau sy'n ofynnol gan un LED fod yn fwy na 2 mW. Mae Ffigur 1 yn dangos y gymhariaeth arbelydru rhwng ffynonellau golau UV cyffredin yn yr offeryn. Er bod pŵer mewnbwn y LED yn llawer llai, mae'r pelydriad donfedd UVC gofynnol yn uwch na ffynonellau golau eraill, gan ei wneud yn ffynhonnell olau fwy effeithiol ar gyfer mesuriadau penodol.
Ffigur 1 Mae'r siart hon yn cymharu arbelydriad UVC LED, lamp fflach xenon a lamp deuteriwm.
Ar ôl dewis y donfedd a'r allbwn golau, paramedr pwysig arall yw'r ongl gwylio, oherwydd bydd yn effeithio ar system optegol yr offeryn. Yn gyffredinol, mae dau ongl gul neu ongl eang. Cyflawnir y cyntaf gyda lens sfferig, ac mae gan yr olaf ffenestr wastad. Mae'r ongl gwylio gul yn caniatáu i olau dwysedd uchel gael eu cael mewn ardal fach. Defnyddir y math hwn o becyn fel arfer wrth ganolbwyntio golau'n uniongyrchol i'r offeryn.
Mae gan becyn ffenestr yr awyren batrwm ymbelydredd ehangach, ac mae ganddo oddefgarwch mwy ar gyfer alinio â'r ffibr optegol, a gellir ei ddefnyddio ar gyfer cyplu o bell. Mae'n arbennig o addas ar gyfer ceisiadau lle mae'n rhaid ynysu'r gell lif o'r ffynhonnell olau a'r offer electronig, megis monitro prosesau cemegol tymheredd uchel neu gromatograffeg toddyddion cyfnewidiol uchel. Mewn ceisiadau ymarferol, gall y lens sbherig ongl gul gadw'r cydrannau yn yr offeryn i isafswm, tra gall y ffenestr fflat wella hyblygrwydd dylunio.
Optimeiddio'r gyriant yn gyfredol, fel y gall y dylunydd gydbwyso'r gofynion allbwn ysgafn a bywyd ymgeisio. Bydd gyrru'r LED o dan y cerrynt a raddiwyd gan y gwneuthurwr yn lleihau'r allbwn ysgafn, ond bydd hefyd yn cynyddu bywyd y ffynhonnell olau. Mewn ceisiadau sy'n gofyn am bŵer allbwn LED uchel, mae rhai defnyddwyr terfynol yn dewis rhedeg LEDs ar gerrynt uwch na manylebau taflenni data. Gall cynyddu'r gyriant sy'n gyfredol fel hyn gynyddu'r allbwn ysgafn, ond mae hefyd yn dod â rhai risgiau perfformiad.
Mae gorboethi yn broblem gyffredin a fydd yn effeithio'n negyddol ar allbwn ysgafn a bywyd y LED. Oherwydd gallu'r LED i newid ar unwaith, gall pobl droi ymlaen ac oddi ar y LED o bryd i'w gilydd. Yn gyffredinol, mae angen allbwn golau uwch ar geisiadau mewn fflworideiddio, ac fel arfer defnyddir gweithrediad modd pwls (cylch dyletswydd) i gynyddu'r cerrynt LED yn fwy diogel. Mae'r cylch dyletswydd yn cyfeirio at ganran y cyfnod o amser y mae'r LED yn cael ei droi ymlaen; y cyfnod yw cyfanswm yr amser sydd ei angen i gwblhau cylch newid. Er enghraifft, bydd LED sy'n gweithredu ar gylch dyletswydd o 50% yn troi ymlaen yn union hanner yr amser a hanner yr amser. Mae Ffigur 2 yn dangos yr allbwn golau safonedig mewn gwahanol gerrynt gyriant a chylchoedd dyletswydd.
Ffigur 2 Yma, gwelwn effaith cylch dyletswydd amrywiol ar allbwn golau wedi'i normaleiddio, tra bod yr amser yn parhau'n gyson ar 500μs. Y pŵer safonedig yw'r pŵer allbwn optegol cymharol, o'i gymharu ag allbwn optegol y cerrynt gweithredu uchaf o 100 mA, gan ddefnyddio sinc gwres priodol.
Bydd gweithredu'r LED o dan cerrynt uchel yn effeithio ar dymheredd cyffordd LED, a fydd yn effeithio ar dymheredd cyffordd LED ac yn effeithio ar fywyd ac allbwn golau. Gall optimeiddio'r cylch dyletswydd leihau effaith y gyriant cynyddol sy'n gyfredol ar dymheredd cyffordd, a thrwy hynny gynnal perfformiad LED. Mae Ffigur 3 yn dangos effaith dylanwadu ar y cylch dyletswydd ar gynnal tymheredd cyffordd y LED. Drwy weithio gyda chylch dyletswydd o 5%, gellir cyflawni mwy na thair gwaith yr allbwn ysgafn (fel y dangosir yn Ffigur 2), heb fawr o effaith ar dymheredd cyffordd.
Ffigur 3 Mae'r graff hwn yn dangos effaith cylch dyletswydd amrywiol ar dymheredd cyffordd tra bod yr amser yn parhau'n gyson ar 500μs.
Bydd gorboethi yn cael effaith negyddol ar allbwn ysgafn a bywyd y LED. Yn y tymor hir, bydd y gwres hwn yn lleihau hyd oes y LED. Wrth ddylunio gyda LEDs UVC, mae rheoli thermol yn bwysig iawn oherwydd bod cyfran yr ynni a gaiff ei droi'n wres yn fwy na'r LEDs hir-donfedd. Gall rheoli thermol priodol gadw tymheredd y gyffordd ar y tymheredd isaf sy'n ofynnol ar gyfer cais penodol a chynnal perfformiad y LED. Yn ogystal â dulliau oeri goddefol a gweithredol, gall y PCB a ddewiswyd hefyd ddod â gwell dissipation gwres.
Ffigur 4 Mae'r graff hwn yn dangos tymheredd y pad thermol (a) o FR4 a PCB craidd alwminiwm heb sinc gwres o'i gymharu â thymheredd pad thermol (b) PCB craidd alwminiwm gyda a heb sinc gwres.
FR4 yw un o'r deunyddiau PCB a ddefnyddir amlaf oherwydd ei gost gymharol isel, ond mae ganddo hefyd dargludedd thermol isel. Mewn system sydd â llwyth thermol uwch yn y system, mae PCB craidd metel gyda gwell dargludedd thermol yn ddewis gwell. Wrth i'r galw am wasgaru gwres gynyddu, mae dylunwyr fel arfer yn troi at gynyddu ardal PCB ac ychwanegu sinciau gwres i sicrhau rheolaeth thermol ardderchog. Os oes angen rhagor o wasgaru gwres, gall dylunwyr ddefnyddio technegau oeri mwy gweithredol. Wrth i berfformiad LEDs UVC wella, mae dylunwyr yn manteisio ar hyblygrwydd dylunio offerynnau sbectrosgopïen ac adweithyddion diheintio. Mae manteision LEDs yn y ceisiadau hyn yn caniatáu dyluniadau mwy cryno, effeithlon a mwy cost-effeithiol yn aml. Gyda datblygiad parhaus y dechnoleg hon, bydd dylunwyr clyfar yn dod o hyd i fwy o ffyrdd o ddefnyddio manteision UVC LED i ymateb i heriau'r marchnadoedd hyn.
