Ультрафиолетовые (УФ) светодиоды что это такое, принцип работы и сфера применения

Что такое ультрафиолетовые светодиоды?

Ультрафиолетовый свет находится вне диапазона видимого света.  Ультрафиолетовые светодиоды излучают именно такой, частотой 100-400 нм. Это излучение необходимо для проведения стерилизации, производстве продуктов питания или косметики, для проведения судебно-медицинских экспертиз и других важных сферах современной жизни.

Изготавливаются ультрафиолетовые светодиоды присадкой на полупроводниковый материал. Обычно для этого выбирается арсенид галлия, который может продуцировать инфракрасный, красный свет. Подробнее об устройстве такого типа светодиодов написано ниже. Также по данной тематике приведено два видеоролика и научно-популярная статья, которая поможет глубже вникнуть в материал.

Ультрафиолетовый светильник.
Ультрафиолетовый светильник.

Немного истории

Впервые идею изготовления мощных светодиодов в спектре ультрафиолетовых лучей реализовали инженеры компании Seoul Optodevice Co. LTD, которая является дочкой китайского концерна Seoul Semiconductor. Первый коммерческий, то есть масштабный, выпуск состоялся еще в 2007 году, но за счет малой мощности и высокой цены устройство не нашло свою нишу.

Позднее инженеры доработали все нюансы и выпустили в 2011 году новое поколение ультрафиолетовых светодиодов, которые имели мощность в 2 раза больше и ресурс почти в 4 раза больше исходника. Такой значительный рывок вперед стал возможным только после изобретения способа корпусирования кристаллов в светодиодах и значительного уменьшения теплового сопротивления между самим кристаллом и корпусом, в который он заключен.

 Ультрафиолетовые светодиоды это устройства, которые только начинают заменять привычные источники УФ излучения в диапазоне от 100 до 400 нм, такие как газоразрядные лампы.

Но процесс до сих пор движется вперед, снижаются тепловые нагрузки, еще более увеличивается потенциал, что позволит в скором времени заменить ртутные лампы более современными аналогами.

Ультрафиолетовый светильник большого размера.
Ультрафиолетовый светильник большого размера.

Принцип действия

Ультрафиолетовое излучение — не воспринимаемая человеческим глазом коротковолновая часть солнечного спектра, занимающая диапазон между видимым излучением и рентгеновским, но ниже предельной границы. Несмотря на схожий со всеми остальными группами светодиодов принцип работы, здесь за излучение отвечают специальные присадки, применяемые при изготовлении:

  • AlxGa1-xAs алюминия галлия арсенид;
  • GaN нитрид галлия – бинарное соединение галлия и азота;
  • AlN алюмонитрид;
  • InN индия – бинарное соединение металла индия и азота.

УФ светодиоды настроены на ближнюю область ультрафиолетового диапазона и излучают в диапазоне длин волн 100-400 нм (фиолетовый цвет). Британский производитель УФ-систем, компания GEW (EC) Limited много лет активно занимается исследованием потенциала УФ-светодиодов.

Но при этом серьезно настроен на дальнейшее развитие технологии с использованием обычных дуговых ламп для печати этикетки, декорирования металла и других промышленных назначений. Для того, чтобы правильно понять возможности и потенциальные заблуждения по поводу светодиодов, требуется подробное исследование светодиодной технологии.

Светодиодная лента.
Светодиодная лента.

Малькольм Рэй, директор компании GEW разъясняет: «Процент электрической энергии, преобразованной в УФ-излучение у светодиодов очень схоже с этим показателем у дуговых ламп – от 25 до 30%. Общие требования мощности для светодиодной системы также подобны данным обычных систем – около 100 Вт/см».

Это может стать сюрпризом, учитывая что именно энергосбережение, считается отличительной особенностью светодиодов. Светодиоды действительно существенно более эффективны по сравнению с УФ-системами старого поколения, но, если провести аналогию с современными системами УФ-отверждения, различия в работе минимальны», говорит Рэй.

Будет интересно➡  Что такое адресная светодиодная лента

Реальное преимущество в использовании энергии в светодиодных системах заключается в том, что они мгновенно включаются и выключаются, не требуя циклов разогрева и режима ожидания, характерных для дуговых ламп. Это значительно снижает потребление непроизводственной энергии и может сделать светодиоды привлекательной альтернативой с точки зрения энергосбережения для производств с малыми тиражами и режимами ожидания с высоким расходом энергии».

Второй важный фактор – это эффективность затрат во время срока службы. Светодиоды потенциально работают больше 20 000 часов, что примерно в 7-10 раз дольше, чем у дуговой лампы с ее 2-3 тысячами часов.

Технические характеристики

Расчетное время эксплуатации составляет 50000 часов, но это показатель идеальных лабораторных условий. В реальности лампа служит гораздо меньше – до 30000 часов. потребляемый ток –20 мА (для маломощных), 350-700 мА (мощных);

  • интенсивность потока – 500-4500 мКд;
  • угол излучения – 90-120°;
  • максимальная температура нагрева 60°С;
  • температура эксплуатации -20/+100°С.

Работа при стандартном токе дает возможность использовать приборы с УФ излучением от обычных блоков питания 220V.

технические характеристики ультрафиолетовых светодиодов

Требования к конструкции

Маломощные диоды могут быть изготовлены в классическом корпусе индикаторных led ламп, но при этом должна быть полностью продуманная система охлаждения. Это могут быть вибрирующие мембраны или  встроенные вентиляторы. Такое значение системе охлаждения уделяется по той причине, что только 25% получаемой при питании энергии УФ переводит в свет, остальные 75% продуцируются в тепло.

Повышение рабочей температуры любого светодиода приводит к мгновенному его износу. Ультрафиолетовый по этим параметрам также не является исключением. Корпус, равно как и крепежная основа должны быть изготовлены из прозрачного герметизирующего и заливочного эпоксидного компаунда или прочного пластика. Металл неприменим, так как сильно снижает КПД лампы.

Сфера применения

Область применения UV конструкций аналогична той же, которую раньше занимали ультрафиолетовые лампы.  Но при этом светодиоды более компактные по размеру, выдают больший диапазон излучения, затрачивают меньше энергии и рассчитаны на длительный срок работы.

УФ-светодиоды применяются:

  • Медицина и косметология. В стоматологии UV применяют для работы с пломбами и обеззараживания инструментов. В терапии для физиопроцедур по восполнению недостатка витамина Д, при лечении гепатита и снижения уровня билирубина в крови новорожденных детей. В косметологии для соляриев, отдельных омолаживающих процедур.
  • Фармакология. Для производства ряда лекарственных препаратов.
  • Промышленность и производство. Для работы с фоточувствительными композитными составами, затвердевающими и полимеризующимися под воздействием таких лучей.
  • Криминалистика. Для проведения оперативных мероприятий, обнаружения следов крови, частиц, биологических жидкостей в процессе следствия.
  • Банковская сфера. С помощью УФ-лучей определяется подлинность купюр, считываются метки, наносимые для определенных целей.
  • Маникюрные процедуры. Все больше мастеров стараются купить ультрафиолетовые светодиоды в виде специальной лампы для сушки гелевых перманентных лаков (шеллак) и при наращивании ногтей гелевыми составами.
Будет интересно➡  Маркировка SMD транзисторов

Это лишь самая малая часть областей, где могут использоваться такие уникальные источники света. Во многих странах ведутся клинические исследования и разработки по поводу влияния ультрафиолета на здоровье, на способность препятствовать онкологии, на потенциальные возможности таких лучей в сельском хозяйстве, промышленности и производстве. Такие источники появились сравнительно недавно, значит, совсем скоро нас ждут интересные открытия.

УФ-светодиод.
УФ-светодиод.

Преимущества светодиодных светильников в сравнении с традиционными ламповыми светильниками отражают данные, приведенные в таблице ниже. В ней приняты следующие обозначения: ЛН – лампы накаливания, КЛЛ  – катодолюминесцентные лампы, СД – светодиоды, ИК – инфракрасное излучение, УФ – ультрафиолетовое излучение.

характеристики ламп и светодиодов
Таблица сравнения светодиодных и ламповых светильников.

Безусловно, использование ультрафиолетовых светодиодов для отверждения и полимеризации пользуется наибольшим спросом. Всплеск такого спроса связан с относительно недавним прорывом в технологии, обеспечивающей плотность потока УФ излучения светодиодов на различных длинах волн.

Качественное освещение традиционными светильниками с лампами ДРЛ (дуговая ртутная лампа) и ДНаТ (дуговая натриевая трубчатая лампа) требует не только большого количества электроэнергии, но и значительных затрат на сервисное обслуживание. Преимущество светодиодов очевидно – они в три раза энергоэффективнее светильников на основе ламп ДРЛ и в два раза эффективнее натриевых ламп.

Сравнение светодиодных и ламповых светильников
Таблица сравнения светодиодных и ламповых светильников.

При проведении стоматологического лечения используется полимеризующийся фоточувствительный материал, который может принимать различную твердость при таких длинах волн, как 395 нм, 385 нм или 365 нм, которые являются частью УФ-спектра (315 -400 нм).

Материал в тему: все о тепловом реле.

Другой важной областью применения ультрафиолетовых светодиодов, является область машинного зрения. Ультрафиолетовые детекторы в этом диапазоне используются для обнаружения подделок банкнот, и имеют преимущества при использовании в хорошо освещенном помещении, в котором использование ртутных ламп затруднено. В области спектра от 280 до 315 нм светодиоды используются в медицинской световой терапии, при проведении судебной экспертизы и при производстве лекарственных препаратов.

Помимо этих вариантов применения ультрафиолетовых светодиодов, существуют различные способы применения, основанные на полезных свойствах для здоровья, включая естественный синтез витамина D в организме человека при воздействию солнечных лучей.

Ультрафиолет также ускоряет производство определенных полифенолов в листовых овощах, таких как красный салат. Полифенолы, как считается, обладают антиоксидантными свойствами. Обычно такие растения выращиваются в теплице где обеспечивается преднамеренное отфильтровывание УФ части спектра, чтобы максимизировать рост растений.

Интересно, что, когда растения подвергаются воздействию со стороны ультрафиолетовых светодиодов на короткое время перед сбором урожая, содержание полифенолов повышается без ущерба для растительной массы. Это новый способ повышения привлекательности некоторых продуктов питания без использования химических веществ. Полифенолы также привлекают внимание ученых в связи с их предполагаемыми противораковымии и антимутагенными свойствами.

В нижней части ультрафиолетового спектра (100-280 нм), основными областями применения ультрафиолетовых светодиодов являются стерилизация воздуха и воды. Химические и биологические детекторы также работают в этой области спектра. В пределах рабочего диапазона в 250-275 нм ультрафиолетовые светодиоды могут обеспечивать стерилизацию воды и воздуха, а также разрушать ДНК и РНК микроорганизмов для предотвращения их размножения.

Свечение биологических пятен.
Свечение биологических пятен.

Особенности энергетического КПД

Энергетическая эффективность – это соотношение потребленной электрической мощности к мощности светового излучения. Ультрафиолетовые светодиоды, применяемые для светотехники, позволяют трансформировать энергию в соответствующее узкое световое излучение, когда кристаллы несут тепловые потери. Чтобы избежать этого, создаются специальные конструкции для придания параметрам светодиодов максимального срока эксплуатации.

При излучении в светодиодах практически отсутствуют ультрафиолетовые составляющие, ввиду чего они эффективны по сравнению с тепловыми. При оптимальном тепловом режиме могут преобразовывать в свет примерно 25% всей потребленной энергии.

Тепловой режим

В целях максимальной эффективности ультрафиолетовых светодиодов, которые четвертую часть трансформируют в свет, а остальные три – в тепло, при их дизайне необходимо учитывать конвекцию, теплопроводность, а также излучение.

Будет интересно➡  Несколько фактов о лазерном диоде

Параметр конвекции

Учитывается корпус светильника. Необходимо обеспечение хороших контактов с воздушными потоками. В качестве отводов тепла возможно использование вибрирующих мембран или мини-вентиляторов.

Ультрафиолетовое излучение в ночном клубе.
Ультрафиолетовое излучение в ночном клубе.

Параметр излучения

Поверхность светового прибора, к которой закрепляют светодиод или его аналог – светодиодный модуль не должна быть из металлической основы, поскольку влияет на коэффициент излучения. При контакте с поверхностью должен образовываться максимальный спектральный коэффициент излучения.

Параметр теплопроводности

Для охлаждения используют отводы тепла на основе специальных конструкций корпуса. Указанные конструкции должны быть из материалов, обладающих небольшим тепловым сопротивлением. В силу вышесказанного светодиоды являются более гибкими и приспосабливаемыми к конкретным потребностям. «В промышленности, где универсальность и скорость все больше ценятся пользователями, светодиоды являются современным решением для передовых и узконаправленных применений, а кроме того, решением на будущее для использования во всех случаях, где производительность, мощность и стоимость будут более конкурентными по сравнению с теми же параметрами в системах с дуговыми лампами», говорит Рэй. «Мы в GEW полагаем, что несложные решения являются самыми лучшими.

Размеры светодиода.
Размеры светодиода.

Светодиоды являются самой простой и самой эффективной технологией для некоторых печатных применений, в особенности для струйной печати. Наши светодиодные решения для этого вида промышленности можно очень просто установить на флексографскую машину, но это не значит, что данная опция будет автоматически самой лучшей для каждого клиента».

Стоимость светодиодных красок и систем, вероятно, будет падать, а производительность увеличиваться. На сегодняшний день светодиоды – это более дорогая альтернатива, но, если текущие тенденции сохранятся, они станут привлекательным предложением в будущем. Учитывая, что производители этикеток не захотят дублировать краски на складе специальными, подходящими к светодиодным системам и не будут иметь желания осваивать новый процесс, потребность в энергоэффективных системах с использованием дуговых ламп будет продолжать расти.

Заключение

Более подробно о светодиодах содержится в статье Все о ультрафиолетовых светодиодах. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.uvservice.ru

www.lifeandlight.

www.lightru.pro

www.diodgid.ru

Предыдущая
ПолупроводникиЧто такое SMD светодиоды
Следующая
ПолупроводникиКак расшифровать цветовую маркировку транзисторов?
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять