隨著UVCLED(短波紫外線LED)的性能不斷提升，這種新技術(shù)正從生命科學(xué)和環(huán)境監(jiān)測儀器應(yīng) 用中獲得動(dòng)能。如同對于所有新興技術(shù)一樣，設(shè)計(jì)人員必須瞭解其與現(xiàn)有方案的一些基本差異，而不是理所當(dāng)然地認(rèn)為可以“即換即用”。這讓設(shè)計(jì)者能充份發(fā)揮 UVCLED的全部優(yōu)勢。經(jīng)過仔細(xì)地權(quán)衡，采用UVCLED的設(shè)計(jì)可以縮小產(chǎn)品體積、降低功耗，并為終端用戶降低擁有成本。
UVCLED的儀控應(yīng)用
由 于UVCLED能滿足市場對于小型化、降低成本和即時(shí)測量等趨勢的要求，將其導(dǎo)入光譜應(yīng)用的興趣正持續(xù)升溫。相較于氘或氙氣閃光燈，LED輸出較窄頻譜光 源，元件的光輸出全部都可用于測量。使用者可根據(jù)應(yīng)用需求選擇感興趣的特定峰值波長。針對特定應(yīng)用，目前已開發(fā)出254nm波長水銀燈的標(biāo)準(zhǔn)化測量方法。 例如，當(dāng)依據(jù)EPA標(biāo)準(zhǔn)檢測水和空氣品質(zhì)時(shí)，需要一個(gè)接近254nm峰值波長的LED光源。表1整理在生命科學(xué)研究、藥品生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用中，能以光 譜辨識(shí)的一些重要有機(jī)化合物。
表1：常見的有機(jī)化合物及其峰值吸收波長
在 儀控應(yīng)用中，選擇光源的另一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)是峰值波長的光輸出。由于LED只有單一峰值，所以光輸出均集中于一個(gè)特定波長，這和其它紫外線(UV)燈并不一 樣。吸收光譜的應(yīng)用通常需要低層級(jí)的光輸出——1mW或以下。然而，在流通池(flow cell)與光源隔離的情況，由于光訊號(hào)在到達(dá)流通池前存在嚴(yán)重衰減，所以需要更高的光輸出功率。這可要求LED的光輸出遠(yuǎn)超1mW。
在 螢光光譜域，訊號(hào)強(qiáng)度與光的強(qiáng)度成正比。LED的激勵(lì)功率取決于所需檢測的示蹤劑濃度高低，所以在這些應(yīng)用中，單個(gè)LED所需的光輸出可能大于2mW。圖 1比較儀器中常用的UV光源輻照度。盡管LED的輸入功率要小得多，但在所需UVA波長段的輻照度卻高于其它光源，使其成為在特定測量中實(shí)現(xiàn)更的光 源。
圖1：UVC LED、氙氣閃光燈和氘燈的輻照度比較
在選擇波長與光輸出后，另一個(gè)重要參數(shù)是視角，它影響到儀器的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。廣泛來說，它有兩種選擇：窄視角或?qū)捯暯?。窄視角?jīng)由球透鏡實(shí)現(xiàn)，寬視角則采用平面窗。窄視角可在小范圍內(nèi)獲得高強(qiáng)度光，而其封裝通常用于光直接聚焦投射于儀器的應(yīng)用。
平 面窗具有更廣的輻射模式，當(dāng)與光纖同時(shí)用于遠(yuǎn)端耦合時(shí)，具有較佳的容限。這特別適用于流通池必須與光源和電子電路隔離的應(yīng)用(例如監(jiān)測高溫化學(xué)過程或具有 高揮發(fā)性溶劑的色譜分析)。在實(shí)際應(yīng)用中：窄角球透鏡可使儀器中的元件數(shù)減至zui少;而寬角平面窗則使設(shè)計(jì)更具有靈活性。
zui化驅(qū)動(dòng)電流，讓設(shè)計(jì)工程師可均衡光輸出以及應(yīng)用的使用壽命要求。以低于制造商規(guī)范評等的額定電流驅(qū)動(dòng)LED，將會(huì)降低光輸出，但也將延長光源的使用壽 命。在需要高LED輸出功率的應(yīng)用中，有些終端使用者選擇以高于資料表規(guī)格的電流驅(qū)動(dòng)LED。以這種方式提高驅(qū)動(dòng)電流，則可增加光輸出，但也會(huì)帶來犧牲性 能的風(fēng)險(xiǎn)。
過熱是一種常見的問題，它可能同時(shí)對LED的光輸出和生命周期帶來負(fù)面影響。由于LED的瞬態(tài)開關(guān)特性，可以周期性方式快速開啟和關(guān)閉LED。在一般需要更高光輸出的螢光應(yīng)用中，經(jīng)常采用工作周期(dutycycle)操作，以便更安全地提高LED電流。
工作周期定義為LED在一次周期中開啟時(shí)間所占的百分比;其中，周期是指完成一次LED開-關(guān)循環(huán)所用的總時(shí)間。例如，以50%工作周期作業(yè)的LED，其開啟和關(guān)閉時(shí)間恰好各占一半。圖2顯示不同驅(qū)動(dòng)電流與工作周期的標(biāo)準(zhǔn)化光輸出。
圖2：在此我們看到不同工作周期對標(biāo)準(zhǔn)化光輸出的影響，同時(shí)，LED的開啟時(shí)間持續(xù)在500μs。標(biāo)準(zhǔn)化功率是相對于zui大額定工作電流100mA時(shí)(加裝合適散熱片)光輸出的相對光輸出功率以 大電流驅(qū)動(dòng)LED會(huì)影響LED結(jié)溫，進(jìn)而影響其使用壽命和光輸出?；ぷ髦芷诳勺屧黾拥尿?qū)動(dòng)電流對結(jié)溫的影響降至zui小，從而保護(hù)LED性能。圖3顯示 工作周期對維持LED結(jié)溫可能產(chǎn)生的影響。以5%的工作周期操作LED，可在對結(jié)溫影響zui低的情況下，使光輸出(圖2)提高三倍。
圖3：圖中顯示不同工作周期對結(jié)溫的影響
其中LED開啟時(shí)間都是500μs過 度發(fā)熱對于LED光輸出和使用壽命帶來負(fù)面影響。長期來看，發(fā)熱會(huì)縮短LED的使用壽命。采用UVC LED設(shè)計(jì)時(shí)，熱管理極其重要，因?yàn)橄噍^于更長波長的LED，驅(qū)動(dòng)UVC LED能量的更大部份被轉(zhuǎn)化為熱量。適當(dāng)?shù)臒峁芾砟苁菇Y(jié)溫低于特定應(yīng)用的要求，并保持LED的性能。除了被動(dòng)和主動(dòng)冷卻方法，所選擇的PCB也可以實(shí)現(xiàn)更 佳散熱。
圖4：圖中比較未使用散熱片的FR4和AlPCB的熱墊溫度(a);以及使用和不使用散熱片的Al PCB的熱墊溫度(b)
FR4由于其成本相對較低，是zui常用的PCB材料之一，但其熱導(dǎo)率較低。對于系統(tǒng)熱負(fù)載高的系統(tǒng)來說，熱導(dǎo)率更高的金屬芯PCB是更好選擇。隨著散熱需求增加，設(shè) 計(jì)者通常采用加大PCB面積和增加散熱片的方式實(shí)現(xiàn)較的熱管理。如果需要更強(qiáng)的散熱，設(shè)計(jì)者還可采用更積極的冷卻技術(shù)。
隨著UVCLED性能提高，設(shè)計(jì)人員開始將其設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)勢用在光譜儀器和消毒反應(yīng)器等應(yīng)用中。在這些應(yīng)用中選用LED，可實(shí)現(xiàn)更緊密、更，通常也更具 成本效益的設(shè)計(jì)。隨著UVCLED技術(shù)的不斷發(fā)展，聰明的設(shè)計(jì)師將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多方法來發(fā)揮UVCLED的優(yōu)勢以因應(yīng)這些市場的挑戰(zhàn)。
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